des kompletten Berichtes als PDF

Schlussbericht
der Forschungsstelle(n)
Nr. N/1, Ruhr-Universität Lehrstuhl für Verkehrswegebau
zu dem über die
A7
im Rahmen des Programms zur
Förderu ng der I ndustriellen Gemeinschaftsforschung und -entwicklu ng ( GF)
I
vom Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie
aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages
geförderten Vorhaben 16639 N /
1
Einfluss der chemischen, rheologischen und physikalischen Grundeigenschaften von
Straßenbaubitumen auf das Adhäsionsverhalten unterschiedlicher Gesfelnskörnungen
(Bewilligungszeitraum: 01.01 .2012 - 30.06.2014)
der Ai F-Forschungsvereinig ung
Deutsches Asphaltinstitut e.v. - DAI
Bochum 17.9.2014
und Unterschrift des/der POektleiter(s)
an der/den Forschungsstelle(n)
Gefördertdurch:
#
l'1'111,:iHil:1',"'"
I und Technologie
aufgrund eines Beschlusses
des Deutschen Bundestages
091 0
Inhaltsverzeichnis
I
Inhaltsverzeichnis
0
Kurzfassung ................................................................................................... 3
1
Einleitung und Problemstellung ................................................................... 5
2
Zielsetzung ..................................................................................................... 6
3
Theoretische Grundlagen und Stand der Kenntnisse ................................ 7
3.1
Bitumen ................................................................................................. 7
3.1.1 Allgemeines ................................................................................ 7
3.1.2 Physikalische Eigenschaften ...................................................... 9
3.1.3 Chemische Zusammensetzung ................................................ 13
4
3.2
Gestein ................................................................................................ 17
3.3
Haftverhalten zwischen Gestein und Bitumen ..................................... 19
Untersuchungsmethodik ............................................................................. 22
4.1
Auswahl der Materialien ...................................................................... 22
4.1.1 Bitumen .................................................................................... 22
4.1.2 Gesteine ................................................................................... 24
4.2
Bitumenuntersuchungen ...................................................................... 24
4.2.1 Prüfverfahren zur Bestimmung der physikalischen
Eigenschaften ........................................................................... 24
4.2.2 Prüfverfahren zur Bestimmung der
chemischen Zusammensetzung ............................................... 25
4.3
Gesteinsuntersuchungen ..................................................................... 26
4.4
Versuche zum Haftverhalten ............................................................... 26
4.4.1 Rolling-Bottle-Test .................................................................... 26
4.4.2 Schüttelabriebversuch .............................................................. 27
4.4.3
Bestimmung der Wasserempfindlichkeit ................................. 27
4.4.4 Kontaktwinkelmessungen ......................................................... 28
4.5
5
Einfluss der Polymermodifizierung von Bitumen auf das
Haftverhalten ....................................................................................... 29
Versuchsergebnisse .................................................................................... 30
5.1
Bitumen ............................................................................................... 30
5.2
Gesteinskörnungen ............................................................................. 36
5.3
Versuche zum Haftverhalten ............................................................... 38
5.3.1 Ausgewählte Materialien .......................................................... 38
Inhaltsverzeichnis
II
5.3.2 Rolling-Bottle-Test .................................................................... 39
5.3.3 Schüttelabriebversuch .............................................................. 41
5.3.3 Bestimmung der Wasserempfindlichkeit .................................. 43
5.3.4 Kontaktwinkelmessungen ......................................................... 46
6
Bewertung der Versuchsergebnisse .......................................................... 48
6.1
Bitumen ............................................................................................... 48
6.1.1 Zusammenhänge zwischen den physikalischen Kennwerten .. 48
6.1.2 Einfluss der verwendeten Polymere auf die Eigenschaften
der untersuchten Bitumen ......................................................... 53
6.1.3 Zusammenhänge zwischen den physikalischen
Eigenschaften und der chemischen Zusammensetzung
der untersuchten Straßenbaubitumen ....................................... 57
6.1.4 Unterschiede in den Bitumeneigenschaften in Abhängigkeit
von der liefernden Raffinerie ..................................................... 64
6.1.5 Alterungsverhalten der untersuchten Straßenbaubitumen ....... 71
6.2
Haftverhalten ....................................................................................... 73
6.1.1 Rolling-Bottle-Test .................................................................... 73
6.1.2 Schüttelabriebversuch .............................................................. 80
6.1.3 Bestimmung der Wasserempfindlichkeit .................................. 84
6.1.4 Kontaktwinkelmessungen ......................................................... 86
6.1.5 Vergleich der Ergebnisse der verschiedenen Prüfverfahren .... 88
6.1.6 Einfluss der Polymermodifizierung ........................................... 89
7
Zusammenfassung und Ausblick ............................................................... 91
8
Literatur ........................................................................................................ 93
Abbildungsverzeichnis ................................................................................... 97
Tabellenverzeichnis ..................................................................................... 102
Kurzfassung
3
0 Kurzfassung
Die Dauerhaftigkeit unserer Straßen hängt maßgeblich von dem Haftverhalten des Bitumens und der Gesteinskörnung ab, denn eine Vielzahl an Rissen – sowohl Kälte- als
auch Ermüdungsrisse – entsteht in der Grenzfläche der beiden Komponenten durch
ein Versagen der Adhäsion. Zum Einfluss der Gesteine bestehen zwar Kenntnisse bezüglich der mineralogischen Zusammensetzung und deren qualitativen Einfluss auf
das Adhäsionsverhalten, jedoch gibt es immer noch unzureichend erforschte quantifizierbare Einflussfaktoren. Der Einfluss der Bitumen auf die Adhäsion wird bislang überwiegend auf Basis verfahrenstechnisch einfacher Untersuchungen unter Einbeziehung
der Gesteinskörnungen durchgeführt. Direkte Vorgaben an die Zusammensetzung der
Bitumen, die gegebenenfalls in Kombination mit der jeweils verwendeten Gesteinsart
ein adhäsionsbegünstigendes Bitumen kennzeichnen, sind aufgrund der chemischen
Vielfalt der Bitumen bislang nicht klar formuliert worden.
In diesem Forschungsprojekt soll durch eine umfassende Analyse von 90 im Straßenbau regelmäßig eingesetzten Bitumen aus acht, über Deutschland verteilten, Raffinerien der Einfluss der physikalischen Eigenschaften bzw. der chemischen Zusammensetzung auf das Adhäsionsverhalten bei verschiedenen Gesteinsarten mit Hilfe ausgewählter Bitumen quantifiziert werden.
Das Ziel des Forschungsvorhabens wurde erreicht. Ein Einfluss der physikalischen
und chemischen Grundeigenschaften der Bitumen auf die Adhäsion konnte grundsätzlich, wenn auch nicht systematisch nachgewiesen werden. Darüber hinaus konnten
auch die Laborversuche tiefergehend bewertet werden. Der Schüttelabriebversuch hat
sich bei den hier verwendeten Randbedingungen als ungeeignet für ein Adhäsionsprüfverfahren erwiesen, da sich die Viskosität als maßgeblicher Faktor für den Abrieb
herausgestellt hat. Bei den anderen Prüfverfahren ist ein unterschiedliches Haftverhalten der Bitumen und Gesteine festzustellen, jedoch zeigen die Versuche kein einheitliches Ranking der verschiedenen Bitumen-Gestein-Kombinationen, da die Versuche
zu unterschiedliche Prüfungsrandbedingungen aufweisen. Hier wären Angleichungen
der Prüfungsrandbedingungen zielführend. Darüber hinaus können zusätzliche Kennwerte wie die Säurezahl des Bitumens, der Anteil von Metallen wie Nickel und Vanadium im Bitumen oder das Zeta-Potential der Gesteine weitere grundlagenwissenschaftliche Erkenntnisse zum tieferen Verständnis der Zusammenhänge liefern. Die
große in diesem Projekt gewonnene Datenmenge sollte um weitere Bitumen- und Gesteinskennwerte erweitert werden, so dass mit Hilfe einer Mulitvarianzanalyse die Einflussfaktoren in Zukunft eindeutig quantifiziert werden können.
Im Rahmen dieses Forschungsprojektes konnten zudem wichtige Erkenntnisse hinsichtlich der physikalischen Eigenschaften der im Straßenbau verwendeten Bitumen
gewonnen werden. Die physikalischen Kennwerte (v. a. die Erweichungspunkte Ring
und Kugel) der verschiedenen Bitumensorten gleicher Raffinerie unterliegen größtenteils nur geringen Schwankungen, während das rheologische Verhalten (Black-Diagramm) in einigen Fällen grundsätzliche Unterschiede aufweist. Darüber hinaus zeigten die mit verschiedenen Messgeräten bestimmten physikalischen Kennwerte bei den
Kurzfassung
4
Straßenbaubitumen eine weitgehende Übereinstimmung. So können die Ergebnisse
des Dynamischen Scherrheometers grundsätzlich die herkömmlichen Bitumenkennwerte in allen relevanten Temperaturbereichen ersetzen.
Eine thermisch-oxidative Alterung (RTFOT-Alterung), die an den Straßenbaubitumen
durchgeführt wurde, bewirkt neben einer Steifigkeitserhöhung eine charakteristische
Veränderung der Bitumenrheologie. Im Black-Diagramm ist eine deutliche Reduzierung der steifigkeitsabhängigen Phasenwinkel festzustellen.
Ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der chemischen Zusammensetzung und
den physikalischen Eigenschaften ist durch den Anteil der Asphaltene gegeben: mit
zunehmendem Asphaltengehalt steigt die Bitumensteifigkeit stetig an. Der Einfluss des
Asphaltengehalts auf die Viskosität nimmt bei steigender Temperatur und der damit
verbundenen sinkenden Bitumensteifigkeit zu. Die Aufteilung der Aliphaten, Mono-, Diund Polyaromaten sowie der polaren Verbindungen innerhalb der Maltenephase beeinflusst die physikalischen Bitumeneigenschaften dagegen ebenso wie die Aufteilung
der Asphaltene in ihre leicht-, mittel- und schwerlöslichen Anteile und das Siedeverhalten nicht maßgebend.
1 Einleitung und Problemstellung
5
1 Einleitung und Problemstellung
Zur Dimensionierung von Straßenbefestigungen aus Asphalt werden beispielsweise in
den Richtlinien für die rechnerische Dimensionierung des Oberbaus von Verkehrsflächen mit Asphaltdeckschicht [RDO Asphalt, 2009] zwei entscheidende Schadensmerkmale berücksichtigt: die Rissbildung durch Ermüdung und die theoretische Gefahr
der Spurbildung. Anforderungen, durch deren Einhaltung die Spurbildung minimiert
werden soll, werden sowohl an die Bindemittel (z.B. Erweichungspunkt Ring und Kugel), die Gesteinskörnungen (z.B. Fließkoeffizient) als auch an die Asphaltzusammensetzung (indirekt beispielsweise durch den Hohlraumgehalt) gestellt. Zur Vermeidung
von Rissbildungen bestehen ebenfalls Anforderungen an die einzelnen Komponenten,
sodass Risse durch die Gesteinskörner oder durch das Bitumen minimiert werden.
Eine Vielzahl an Rissen – sowohl Kälte- als auch Ermüdungsrisse – entsteht jedoch in
der Grenzfläche der beiden Komponenten durch ein Versagen der Adhäsion.
Auf Seiten der Gesteine bestehen zwar Kenntnisse bezüglich der chemischen Zusammensetzung und deren Einfluss auf das Adhäsionsverhalten, jedoch gibt es immer
noch unzureichend erforschte Einflussfaktoren. Der Einfluss der Bitumen auf die Adhäsion wird bislang überwiegend auf Basis verfahrenstechnisch einfacher Untersuchungen unter Einbeziehung der Gesteinskörnungen durchgeführt. Direkte Vorgaben
an die Zusammensetzung der Bitumen, die gegebenenfalls in Kombination mit der jeweils verwendeten Gesteinsart ein adhäsionsbegünstigendes Bitumen kennzeichnen,
sind aufgrund der chemischen Vielfalt der Bitumen bislang nicht klar formuliert worden.
National wie international werden zahlreiche Verfahren zur Analyse des Adhäsionsverhaltens zwischen Bitumen und Gesteinskörnungen beschrieben. Ein Beispiel ist der
nach europäischem Regelwerk aktuell anzuwendende Rolling-Bottle-Versuch. Sämtliche Ansätze weisen jedoch bedeutende Schwachstellen auf. Darunter fällt beispielsweise eine mangelhafte Präzision, ein starker Einfluss des Prüfers oder gar die Tatsache, dass nicht die Adhäsion, sondern letztendlich andere Parameter mit dem Verfahren geprüft werden.
2 Zielsetzung
6
2 Zielsetzung
In diesem Forschungsprojekt soll durch eine umfassende Analyse von Straßenbaubitumen der Einfluss ihrer physikalischen Eigenschaften bzw. ihrer chemischen Zusammensetzung auf das Adhäsionsverhalten bei verschiedenen Gesteinskörnungen quantifiziert werden.
Eine detaillierte chemische und physikalische Untersuchung von 90 im Straßenbau
regelmäßig eingesetzten Bitumen aus acht, über Deutschland verteilten, Raffinerien
ermöglicht trotz der provenienz- und herstellungsbedingten Vielfalt eine Charakterisierung der Bitumen. Ziel dieses ersten Schrittes ist zunächst eine Analyse der Zusammenhänge zwischen der chemischen Zusammensetzung und den physikalischen Eigenschaften der in Deutschland verwendeten Straßenbaubitumen. Acht in Deutschland im Straßenbau regelmäßig eingesetzte Gesteinsarten – teilweise bereits mit bekannt positiven oder negativen Einflüssen auf das Adhäsionsverhalten – werden in
einem zweiten Schritt mineralogisch und petrographisch untersucht.
In dem abschließenden dritten Schritt werden ausgewählte Bitumen und Gesteine mit
mehreren Adhäsionsprüfungen untersucht. Diese Ergebnisse erlauben einen Vergleich der Prüfverfahren selbst und aufgrund der Analyse mit mehreren Verfahren eine
Bewertung des Adhäsionsverhaltens der Kontaktpartner Bitumen und Gestein. Auf diesen Ergebnissen aufbauend sollen Rückschlüsse auf die zur Adhäsion relevanten Eigenschaften bzw. Bestandteile der Kontaktpartner, speziell des Bitumens, gezogen
werden.
3 Theoretische Grundlagen und Stand der Kenntnisse
7
3 Theoretische Grundlagen und Stand der Kenntnisse
3.1
Bitumen
3.1.1 Allgemeines
Den Ursprung von Rohöl bilden vor Jahrmillionen abgestorbene, meist kleinste Lebewesen, die sich auf dem Meeresboden ablagerten. Bei eingeschränkten oder ganz
verhinderten Fäulungsprozessen folgte unter hohem Druck und hoher Temperatur
über einen langen Zeitraum die Umwandlung zum Erdöl. Die Vielzahl der Parameter,
die die Entstehung des Erdöls beeinflussen, bewirkt die Entwicklung unterschiedlichster Rohöle, sodass die Anzahl an Rohölen, die weltweit produziert werden, beispielsweise von [ZOOROB, AIREY, 2005] auf annähernd 1.500 beziffert wird. Diese unterscheiden sich elementar in ihren Eigenschaften und ihrer Zusammensetzung, sodass
nur etwa ein Zehntel des verfügbaren Erdöls für die Produktion von Bitumen geeignet
ist. Generell gilt hierbei: je schwerer das Öl, desto mehr Bitumen wird daraus gewonnen [WHITEOAK, READ, 2003].
Die meisten der tendenziell schwereren Öle, die zur Bitumenherstellung verwendet
werden, weisen nach der Förderung eine für Bitumen zu geringe Viskosität auf. Erst
durch die Verarbeitung treten die für die Viskosität verantwortlichen Bestandteile, die
Asphaltene und Harze, in ausreichender Menge auf. Dies geschieht durch die Konzentration und teilweise auch durch die Neubildung der Asphaltene und Harze
[NEUMANN, 1995]. Im zweiten Fall werden durch das sogenannte Anblasen Oxidationsprozesse ausgelöst, die zu einer Umwandlung der leichteren, vorwiegend aromatischen Verbindungen zu Harzen und/oder Asphaltenen führt. Bei der fraktionellen
Destillation findet eine Konzentration der Harze und Asphaltene statt. Hierbei werden
im ersten Schritt unter atmosphärischem Druck und im zweiten Schritt unter reduziertem Druck bei Temperaturen von 350 bis 425 °C nach und nach die jeweils leichtest
flüchtigen Bestandteile abgetrennt. Als Endprodukt dieses Prozesses verbleibt das Bitumen als schwerster Bestandteil des Rohöls.
Weltweit werden fast 100 Mio. t [LESUEUR, 2009] und alleine in Deutschland rund
2,5 Mio. t [ARBIT] Bitumen im Jahr verarbeitet. Einen Überblick über die Raffinerien
und die Pipelines in Deutschland gibt Bild 3-1. Für Deutschland beträgt der Anteil des
Bitumens, das im Straßenbau eingesetzt wird, fast 80 %, während weltweit 95 % auf
den Straßenbau entfallen. Die im Straßenbau primär eingesetzten Destillationsbitumen, einschließlich der durch Zusätze modifizierten Arten, stellen folglich den größten
Anteil dar. Die übrigen Arten wie Hart- oder Oxidationsbitumen werden im Gegensatz
dazu nur relativ selten im Straßenbau eingesetzt. Bezüglich des Herstellungsprozesses können die im Straßenbau verwendeten Bitumen in drei Gruppen aufgeteilt werden: direkt auf die gewünschten Eigenschaften destillierte Bitumen, Mischungen aus
verschiedenen Bitumen, die in Kombination die gewünschten Eigenschaften aufweisen und darüber hinaus unterschiedlich modifizierte Bitumen. Während die beiden
erstgenannten Gruppen lediglich Unterschiede im Herstellungsprozess aufweisen sollten, weist die dritte Gruppe gezielt abweichende Charakteristika auf. Im Gegensatz zu
3 Theoretische Grundlagen und Stand der Kenntnisse
8
anderen Modifizierungsarten wie beispielsweise Gummi-, Wachs- oder chemische Modifizierungen sind Polymermodifizierungen aufgrund der umfangreichen Erfahrungen
der vergangenen Jahre bereits in den [TL Bitumen-StB 07, 2013] aufgenommen. Eine
wesentliche Verbesserung durch die Polymere ist die Vergrößerung der Plastizitätsspanne, also dem Temperaturbereich, in dem das Bitumen die Beanspruchungen im
Gebrauchszustand theoretisch schadenfrei aufnehmen kann (technische Definition
siehe Kapitel 3.1.3). Bezüglich der Polymermodifizierungen wird zwischen Elastomeren und Plastomeren unterschieden. Die Plastomere erhöhen im Wesentlichen die
Plastizitätsspanne, während die Elastomere zusätzlich das elastisch rückverformende
Potential der Bitumen verbessern. Für beide Modifizierungsarten gilt, dass die Zusätze
mit dem Bitumen verträglich sein müssen (siehe Kapitel 3.1.3).
Bild 3-1: Raffineriestandorte und Pipelines in Deutschland [Mineralölwirtschaftsverband]
3 Theoretische Grundlagen und Stand der Kenntnisse
9
3.1.2 Physikalische Eigenschaften
Bitumen weist ein in hohem Maße temperaturabhängiges Verhalten auf. Dies betrifft
die Adhäsion (siehe Kapitel 3.3) und vor allem die Kohäsion. Nicht modifizierte
Straßenbaubitumen sind bei niedrigen Temperaturen hart und elastisch bis spröde.
Bei einer Erwärmung werden Bitumen kontinuierlich duktiler und die Elastizität wie
auch die Viskosität nimmt ab. Ohne einen diskreten Wechsel des Aggregatzustandes,
also ohne einen definierten Schmelzpunkt, wird das Bitumen bei hohen Temperaturen
dünnflüssig ohne elastische Anteile aufzuweisen. Die genannten Zustände treten je
nach Härte des Bitumens bei unterschiedlichen Temperaturen auf. Dieses Verhalten
kann in Anlehnung an [ZENKE, 1990] anhand des kolloidalen Aufbaus des Bitumens
(siehe Kapitel 3.1.2) erfasst werden (Bild 3-2).
Bild 3-2: Veränderung des Kolloidsystems in Abhängigkeit von der Temperatur [aus CETINKAYA, 2011 in Anlehnung an ZENKE, 1990]
Bei niedrigen Temperaturen ist die Struktur der Asphaltene derart dicht, dass
Deformationen des Bitumens nur durch das Aufbringen großer Kräfte möglich sind.
Werden Deformationen im Bitumen erzeugt, so geschieht dies fast ausschließlich
durch Deformationen der Asphaltene, da Verschiebungen zwischen diesen kaum
möglich sind. Die Energie, die in das System Bitumen gebracht wurde, kann innerhalb
des Bitumens entweder durch sehr langsame Verschiebungsprozesse zwischen den
Asphaltenen oder durch die Rückverformung der Asphaltene abgebaut werden. Das
Bitumen weist folglich einen hohen elastischen Verformungsanteil auf. Sind die
internen Spannungen jedoch zu groß, entstehen Rissen zwischen den Asphaltenen
und damit auch im Bitumen.
Prüftechnisch werden die beschriebenen Deformations- bzw. Versagensmöglichkeiten
durch die Bestimmung der Biegekriechsteifigkeit und des m-Wertes mittels
Biegebalken-Rheometer (BBR) oder des Brechpunkts nach Fraaß erfasst. Die
Biegekriechsteifigkeit, die nach [DIN EN 14771, 2012] als Verformungswiderstand
eines Bitumenbalkens bei einer Dreipunktbiegebelastung (Bild 3-3, links) gemessen
wird, gibt indirekt an, welche Kräfte bei einer extern induzierten Deformation entstehen.
Bei geringerer Biegekriechsteifigkeit erlaubt die Struktur der Asphaltene größere
interne Umlagerungen, wodurch geringere Spannungen aufgebaut werden. Eine
3 Theoretische Grundlagen und Stand der Kenntnisse
10
schnelle Rückverformung der Asphaltene und damit schnelle Abnahme der internen
Spannungen wird durch einen hohen m-Wert gekennzeichnet. Der m-Wert wird im
BBR-Versuch durch eine starke Abnahme der Biegekriechsteifigkeit mit der
Versuchsdauer (beides im logarithischen Maßstab) berechnet. Im Gegensatz zum
BBR-Versuch wird durch die Bestimmung des Brechpunktes nach Fraaß entsprechend
[DIN EN 12593, 2002] unmittelbar die Temperatur bestimmt, bei der ein dünner
Bitumenfilm bei einer vorgegebenen Deformation reißt (Bild 3-3, rechts).
Biegevorrichtung
Bitumenfilm
Metallplättchen
Bild 3-3: links: Prinzipskizze Bending Beam Rheometer [BP] rechts: Schematische Darstellung, Brechpunkt nach
Fraaß [ARBIT]
Durch eine Erwärmung des Bitumens reduziert sich der Volumenanteil der Mizellen
durch das Lösen von Asphaltenen geringerer Assozisationskräfte, die dann als
molekular aufgelöste Asphaltenanteile dispergieren. Daher wird die Härte des
Bitumens in der Regel so gewählt, dass im üblichen Gebrauchstemperaturbereich
Deformationen des Bitumens unter großem Kraftaufwand möglich sind. Diese können
sowohl durch ein Verschieben zwischen den Asphaltenen als auch Deformationen der
Asphaltene selbst auftreten. Auf kurzzeitig aufgebrachte Deformationen (z.B. rollender
Straßenverkehr) reagiert das Bitumen durch eine Rückverformung der Asphaltene
somit weitestgehend elastisch, während bei andauernden Deformationen (z.B.
temperaturbedingte Zwangsspannungen) die Spannungen durch die Umlagerung der
Asphaltene abgebaut werden.
Eine konventionelle Bitumenuntersuchung im Gebrauchstemperaturbereich ist die
Bestimmung der Nadelpenetration nach [DIN EN 1426, 2006]. Die Eindringtiefe der
Nadel gibt dabei Auskunft über die Bitumensteifigkeit bei 25 °C und lässt somit
Rückschlüsse zu, für welche Anwendungen das Bitumen geeignet ist.
In der Regel findet die Bestimmung der Kraftduktilität bei 5 bis 25 °C und damit
ebenfalls im Gebrauchstemperaturbereich statt. Die Kraft, die zu Versuchsbeginn der
Deformation entgegengebracht wird, ist entscheidend von der Bitumenhärte abhängig.
Da bei diesem Versuch starke Dehnungen vorgenommen werden, nimmt die Kraft bei
nicht modifizierten Straßenbaubitumen nach einem anfänglichen Maximum stark ab.
Bei Polymermodifiziertem Bitumen, für das dieser Versuch vorgesehen ist, kann das
Netzwerk aus Polymeren mit zunehmender Deformation einen ansteigenden
Widerstand aufbauen. Erst bei Überschreitung des Maximums reißen die
Polymerverbindungen, wodurch ein abruptes Reißen des Bitumens auftritt.
3 Theoretische Grundlagen und Stand der Kenntnisse
11
Bild 3-4: links: Duktilitätsform [MANKE; 2009 in Anlehnung an DIN EN 13589] rechts: Schematische Darstellung,
Nadelpenetration [ARBIT]
Eine weitere Erwärmung des Bitumens führt oberhalb des Gebrauchstemperaturbereichs dazu, dass die Mizellen in der Maltenephase ausreichend Raum haben, um
aneinander vorbei zu gleiten. In diesem Zustand weist das Bitumen nur noch ein
geringes elastisches Rückstellvermögen auf und fließt zäh. Unter Verkehrsbelastung
werden die Gesteinskörnungen nur noch mit einer zähen Masse verklebt, die der
Spurbildung nur geringen Widerstand leistet.
Der Erweichungspunkt Ring und Kugel, der nach [DIN EN 1427, 2006] erreicht ist,
sobald eine Stahlkugel unter definierten Bedigungen auf einem Bitumenfilm nicht mehr
gehalten wird, begrenzt den Gebrauchstemperaturbereich nach oben. Durch die
Vielzahl weiterer Einflussfaktoren auf die Grenzbereiche der Gebrauchstauglichkeit
(z.B. Mischgutzusammensetzung, Verkehrsbelastung) kann dies aber nur eine sehr
grobe Abschätzung darstellen.
Bild 3-5: Schematische Darstellung, Erweichungspunkt Ring und Kugel [ARBIT]
Erhöht sich die Temperatur vom Gebrauchsbereich zum Bereich für
Asphaltherstellung und –verarbeitung, können sich die Mizellen zunehmend ungestört
und frei bewegen. Die Viskosität sinkt damit von relativ hochviskosem bis hin zu
niedrigviskosem Verhalten. Deformationen sind in diesem Zustand viskoplastisch.
Die verschiedenen Formen der Viskositätsmessung charakterisieren das Bitumenverhalten im fließfähigen Zustand. Neben den klassischen Kapillarviskosimetern
kommen hierzu vermehrt Rotationsviskosimeter zum Einsatz. So ist beispielsweise in
3 Theoretische Grundlagen und Stand der Kenntnisse
12
[DIN EN 13702-1, 2010] die Bestimmung der dynamischen Viskosität mittels
Rotationsviskosimeter im Platte-Kegel-Verfahren (eigentlich nur für Polymermodfiizierte Bitumen) genormt. Bei diesem Versuch wird die Bitumenprobe kraftschlüssig
zwischen einer unteren, statischen Platte und einem oberhalb der Probe befindlichen
Kegel gehalten. Der Kegel beansprucht das Bitumen durch seine Rotation auf
Scherung. Der Neigungswinkel des Kegels ist derart ausgebildet, dass die Scherrate,
also der Quotient aus Deformationsgeschwindigkeit und Plattenabstand, in der
gesamten Probe konstant ist. Aus dem Verhältnis zwischen der aufgebrachten
Scherspannung und der Scherrate wird die dynamische Viskosität berechnet.
Wie die beschriebene dynamische Viskosität kann auch die komplexe Viskosität in
Anlehnung an [DIN EN 14770, 2012] mittels Dynamischem Scherrheometer (DSR)
bestimmt werden. Der entscheidende Unterschied zwischen dynamischer und
komplexer Viskosität ist die Art der Beanspruchung. So wird die komplexe Viskosität
als Widerstand des Bitumens gegen eine oszillierende Beanspruchung gemessen,
während die dynamische Viskosität den Widerstand gegen eine gleichförmige, in
diesem Fall rotierende Deformation darstellt. Obwohl es sich bei den beiden
Viskositätsarten mechanisch um unterschiedliche Größen handelt, besagt die
empirisch entwickelte COX-MERZ-Regel, dass beide Viskositäten für viele
Substanzen gleich sind, sofern die Scherrate der rotatorischen der Kreisfrequenz der
oszillatorischen Messung entspricht [COX, MERZ, 1957].
Bild 3-6: Prinzipskizze dynamisches Scherrheometer [ZIELKE, 2008]
Nach [TL Bitumen-StB 07, 2013] ist das DSR im Temperaturbereich zwischen 30 und
90 °C einzusetzen. Möglich ist darüber hinaus die Anwendung bei höheren wie bei
niedrigern Temperaturen. Als Ergebnis liefert das DSR bei Durchführung des in den
[TL Bitumen-StB 07, 2013] geforderten Oszillationsversuchs nach [DIN EN 14770,
2012] zwei Kennwerte: den komplexen Schermodul und den Phasenwinkel. Der
komplexe Schermodul, aus dem sich mittels Division durch die Kreisfrequenz
unmittelbar die komplexe Viskosität berechnen lässt, ist als Verhältnis zwischen
3 Theoretische Grundlagen und Stand der Kenntnisse
13
Spannung und Deformation ein Maß für die Bitumensteifigkeit. Der Phasenwinkel,
gemessen als Verzögerung der Deformationsreaktion gegenüber der aufgebrachten
Spannung, quantifiziert das Verhältnis zwischen elastischem und viskosem
Verformungsanteil. Rein elastische Materialien weisen einen Phasenwinkel von 0 °,
rein viskose einen Phasenwinkel von 90 ° und Materialien mit beiden Anteilen einen
entsprechend dazwischen liegenden Phasenwinkel auf.
3.1.3 Chemische Zusammensetzung
Der chemische Aufbau des Bitumens ist mit einer Vielzahl unterschiedlicher Kohlenwasserstoffverbindungen, die in vielen Fällen durch Heteroatome ergänzt werden,
sehr komplex. Die Angaben zur Anzahl der vorkommenden Moleküle sind folglich nur
grobe Schätzungen. So beziffert beispielsweise [ZHANG, GRIENFELD, 2007] deren
Anzahl auf mehr als 100.000. Diese Moleküle bestehen zu einem Großteil aus Kohlenstoff und Wasserstoff. Stickstoff und Sauerstoff treten in relativ geringen Mengen
auf, während der Anteil des Schwefels einige Prozent betragen kann. Aufgrund der
hohen Polarität kann der Schwefelgehalt, ebenso wie der Anteil an metallischen Bestandteilen wie Nickel oder Vanadium, die nur in kleinsten Spuren auftreten, für die
Eigenschaften
des Bitumens
prägend
sein. Eine grobe Angabe
des AuftreMittlere
chemische
Zusammensetzung
einesbezüglich
Bitumens
tens der einzelnen Elemente ist Bild 3-7 zu entnehmen.
Schwefel 0 - 6 %
Stickstoff 0 - 1 %
Sauerstoff 0 - 1,5 %
Wasserstoff 8 - 11 %
Kohlenstoff 82 - 88 %
Bild 3-7: Mittlere chemische Zusammensetzung eines Bitumens [WHITEOAK; READ, 2003]
Die Angabe von Bandbreiten, in denen die Anteile der einzelnen Elemente vorkommen, anstelle von konkreten Werten ist darin begründet, dass die chemische Zusammensetzung der Bitumen von den jeweils verwendeten Rohölen abhängt. Deren elementarer Aufbau weist wiederum große Schwankungen aufgrund der in Kapitel 3.1.1
angedeuteten Entstehungsgeschichte des Rohöls auf. Neben den Schwankungen der
3 Theoretische Grundlagen und Stand der Kenntnisse
14
prozentualen Anteile der einzelnen Elemente entsteht so die zuvor grob bezifferte Vielzahl unterschiedlicher Moleküle.
Aufgrund dieser Vielfalt unterschiedlichster chemischer Verbindungen ist eine Charakterisierung des Bitumens anhand seiner elementaren Zusammensetzung nur in Teilaspekten (beispielsweise Anteil der metallischen Bestandteile) möglich und sinnvoll:
„Ein Kolloidsystem – auch Bitumen – kann man von den Molekülen her, aus denen es
besteht, nicht verstehen. Erst der kolloidale Aufbau mit Mizellstruktur lässt uns seine
Eigenschaften erfassen“ [NEUMANN, 1995].
Das Kolloidsystem zur Beschreibung des Bitumens geht im Wesentlichen auf [NELLESTYN, 1923] zurück. Das Bitumen wird generell in eine zusammenhängende, fließfähige Phase (Maltene) und eine darin dispers verteilte Phase (Asphaltene) unterteilt.
Die definitionsgemäße Unterscheidung zwischen den beiden Phasen beruht auf dem
Lösungsverhalten. Asphaltene werden hierbei als der Anteil des Bitumens definiert,
der in n-Heptan nicht löslich, aber in Toluol löslich ist, während die Maltene in n-Heptan
löslich sind. Eine weitere, im Wesentlichen auf der Polarität der Bestandteile beruhende Aufteilung der Maltenephase geht auf die Forschungen von [CORBETT, 1969]
zurück. Mittels Flüssigchromatographie teilte er die Maltene in Aliphaten (Saturates),
Aromaten (Aromatics, ursprünglich nephtene aromatics) und Harze (Resins, ursprünglich polar aromatics bzw. auf Deutsch auch als polare Verbindungen bezeichnet) auf.
Beruhend auf der Trennung der Bitumen nach [CORBETT, 1969] existieren einige
Weiterentwicklungen der SARA-Analyse (Saturates, Aromatics, Resins, Asphaltenes).
Im US-Amerikanischen Raum wird die Trennung mit sichereren, einfacher zu handhabenden und umweltfreundlicheren Substanzen nach [ASTM D 4124, 2009] standardisiert durchgeführt (Bild 3-8). Die verfahrenstechnischen Optimierungen von [SEBOR
et al., 1999], bei denen die Gruppe der Aromaten zusätzlich in Mono-, Di- und Polyaromaten aufgeteilt wird, finden ebenfalls oft Anwendung. Andere Verfahren wie die
Dünnschichtchromatographie mit Flammen-Ionisations Detektor (TLC-FID) oder in selteneren Fällen die Hochleistungsflüssigkeitschromatographie (HPLC) sind ebenfalls
gebräuchlich. Bei geeigneter Kalibrierung auf die zuvor genannten Methoden werden
mit diesen Verfahren im Allgemeinen vergleichbare Ergebnisse erzielt, wobei die Interpretation der Ergebnisse zu fehlerhaften Rückschlüssen führen kann.
Feedstock
(n-heptane)
Deasphaltened oil
(percolate through alumina)
Asphaltenes
(insolubles)
Asphaltenes
(soluble in toluene)
Carbenes/Carboids
(insoluble in toluene)
Carbenes
(soluble in CS2)
3: resins
(pyridine wash)
Carboids
(insoluble in CS2)
Bild 3-8: Vereinfachte Erdölfraktionierungsmethode [SPEIGHT, 2004]
2: aromatics
(toluene wash)
1: saturates
(n-heptane wash)
3 Theoretische Grundlagen und Stand der Kenntnisse
15
Die aliphatischen Verbindungen machen etwa 5 bis 15 M.-% des Bitumens aus. Sie
sind annähernd farblos und bei Raumtemperatur flüssig mit einer Dichte von etwa
0,9 g/cm3. Als gesättigte Kohlenwasserstoffverbindungen liegt das H/C-Verhältnis
nahe 2 und es befinden sich nur Spuren von Heteroatomen in den Molekülketten.
Der Anteil der Aromaten wird mit 30 bis 45 M.-%, in anderen Quellen auch mit höheren
Anteilen, am Bitumen beziffert. Die Angaben zur Farbe und Viskosität reichen von gelb
und flüssig bis schwarz und hochviskos, jeweils bei Raumtemperatur. Die abwechselnden Angaben in der Fachliteratur sind durch die unterschiedliche Anzahl an Ringverbindungen (Aufteilung in Mono-, Di- und Polyaromaten) zu erklären. Die Dichte der
aromatischen Verbindungen beträgt bei 20 °C etwa 1 g/cm3.
Der Anteil der polaren Verbindungen am Bitumen wird oft mit 30 bis 45 M.-% beziffert.
In der Literatur teilweise davon abweichende Werte werden mit dem Einsatz unterschiedlicher Lösungsmittel begründet. Die polaren Verbindungen sind bei Raumtemperatur ein schwarzer Feststoff mit einer Dichte von 1,07 g/cm3. Die chemische Zusammensetzung ist der der Asphaltene ähnlich [KOOTS, SPEIGHT, 1975], wobei die
Polarität sogar höher sein kann [PIÉRI, 1995].
Bei frischem Destillationsbitumen wird der Anteil der Asphaltene mit 5 bis 20 M.-%
angegeben. Durch thermisch-oxidative Prozesse, beispielsweise durch natürliche Alterung oder durch Anblasen, steigt der Asphaltengehalt deutlich an. Die Asphaltene
haben im Bitumen eine viskositätsbildende Rolle, da diese bis etwa 200 °C als festes
schwarzes Pulver vorliegen [CLAUDY, et al., 1992]. Die Asphaltene und die polaren
Verbindungen enthalten einen Großteil der Heteroatome des Bitumens.
Aufgrund der herausragenden Bedeutung der Asphaltene und der Tatsache, dass entscheidende Unterschiede zwischen den Asphaltenen bestehen, werden diese oftmals
weiter unterteilt. [ZENKE, 1989] nimmt zu diesem Zweck eine Trennung anhand der
Löslichkeit vor und unterscheidet zwischen leicht-, mittel- und schwerlöslichen Asphaltenen.
3 Theoretische Grundlagen und Stand der Kenntnisse
16
Bild 3-9: Mizellen-Modell [NÖSLER, 2000]
Die Rolle und die Verteilung der Asphaltene und Harze in der Kolloidstruktur des Bitumens sind in wesentlichen Aspekten bis heute umstritten. Nach dem Mizellen-Modell
dienen die Harze als Schutzschicht für die Asphaltene (siehe Bild 3-9), während nach
dem Yen-Mullins-Modell eine direkte Aggregatbildung zwischen den Asphaltenen
stattfindet und der Großteil der Harze in der Maltenephase verteilt ist (siehe Bild 3-10).
Bild 3-10: Yen-Mullins Modell [MULLINS, et al., 2012]
Im Gegensatz zu anderen Ansätzen hat sich die Trennung des Bitumens in die SARAFraktionen zur chemischen Charakterisierung des Bitumens weitestgehend durchgesetzt. Daher werden Verhältniswerte zwischen den vier Gruppen oft als Analyse-Parameter verwendet. Das bekannteste Beispiel hierfür ist der GAESTEL-Index (auch Kolloidal-Index) IC, der das Verhältnis zwischen dispersen (Aliphaten und Asphaltene) und
ausflockenden (Aromaten und Harze) Bestandteilen quantifiziert. Ein Beispiel für die
Anwendung des GAESTEL-Index ist die Forderung nach möglichst geringen Werten,
3 Theoretische Grundlagen und Stand der Kenntnisse
17
um hierdurch die Kompatibilität zu Polymeren sicherzustellen, die teilweise auch auf
die Kompatibilität zur Gesteinsoberfläche angewendet wird. Einem weiteren Ansatz
zufolge kann der Quotient aus Harzen und Asphaltenen zur Kontrolle der Bitumenprovenienz genutzt werden. Dieser Verhältniswert ist nach [LOEBER et al., 1998] bei Bitumen einer Familie unabhängig von der Härte.
3.2
Gestein
Gesteine bestehen aus überwiegend anorganischen, festen, kristallisierten Mineralen.
Die meisten Gesteine sind dabei polymineralisch, d.h. bestehen aus mehreren Arten
von Mineralen. Monomineralische Gesteine wie z.B. der Quarzit oder der Mamor sind
seltener. Insgesamt gibt es etwa 4.600 bekannte Mineralarten, von denen jedoch nur
ca. 250 gesteinsbildend sind. Wovon wiederum über 90 % Silicium-Verbindungen, d.h.
Silikate und Quarz, sind. Neben den Mineralen zur Klassifizierung der Gesteine ist der
Entstehungsprozess für die Einteilung von Gesteinen in magmatische Gesteine, Sedimentgesteine und metamorphe Gesteine ausschlaggebend. [OKRUSCH, MATTHES,
2014]
Der Kreislauf der Gesteine ist in Bild 3-11 dargestellt.
Bild 3-11: Der Kreislauf der Gesteine [OKRUSCH, MATTHES, 2014]
3 Theoretische Grundlagen und Stand der Kenntnisse
18
„Die Erdkruste besteht zu über 60 Vol.-% aus magmatischen Gesteinen“ [OKRUSCH,
MATTHES, 2014]. In Tab. 3-1 ist eine Einteilung magmatischer Gesteine in sauer und
basisch in Abhängigkeit von ihrem SiO2-Anteil mit Beispielen gegeben.
Tab. 3-1: Gliederung magmatischer Gesteine in Abhängigkeit vom SiO2-Gehalt [WEISE, OESER, 2010]
Bezeichnung
Sauer
Intermediär
Basisch
Ultrabasisch
SiO2-Gehalt
> 65 % SiO2
52-65 % SiO2
45-52 % SiO2
< 45 % SiO2
Beispiele
Granit,
Quarzporphyr
Syenit, Diorit,
Trachyt, Andesit
Gabbro,
Diabas, Basalt
Peridotit, Basalt
Ein Sedimentgestein, welches im Straßenbau eingesetzt wird, ist z.B. der Kalkstein.
Durch metamorphe Prozesse entstehen aus älteren magmatischen oder Sedimentgesteinen metamorphe Gesteine. Ein Beispiel hierfür ist die Umwandlung von Quarzsandsteinen in Quarzite. [OKRUSCH, MATTHES, 2014]
In Tab. 3-2 sind bautechnisch wichtige magmatische Festgesteine, die üblicherweise
im Straßenbau eingesetzt werden, ihre Eigenschaften und Hauptvorkommen zusammengefasst.
Tab. 3-2: Bautechnisch wichtige magmatische Festgesteine, ihre Eigenschaften und Hauptvorkommen [in Anlehnung an REUTER et al., 1992]
Name
Farbe
Granit,
Granodiorit
hellgrau bis
rotbraun
Diabas
(Grüngestein)
schwarz bis
dunkelgrün
Basalt
(häufigstes
Oberflächengestein 98%)
schwarz
Hauptminerale
Quarz (> 10 %),
Feldspat,
Glimmer,
[Hornblende,
(< 10 %) Augit]
Feldspat, Augit,
(Hornblende)
Feldspat,
-vertreter,
Hornblende,
Augit,
Olivin,
Einsprenglinge
Quarz, Feldspat,
Glimmer,
Gesteinsbruchstücke
Gefüge
Druckfestigkeit [MN/m²]
Rohdichte
[t/m³]
hypidiomorph-körnig,
richtungslos
160 bis 300
2,6 bis 2,8
krypto-kristallin, sperrig
180 bis 250
2,8 bis 2,9
krypto-kristallin, sperrig
250 bis 400
2,9 bis 3,0
gebankt,
fein-grobkörnig
150 bis 300
2,6 bis 2,65
Grauwacke
dunkelgrau
Kalkstein
grau, gelb,
braun
Kalkspat
massig, bankig, bis
feingeschichtet, dicht
bis grobkörnig
20 bis 90
1,7 bis 2,85
Quarzit
weiß, grau
Quarz,
(Serizit, Feldspat)
sehr hart, widerstandsfähig, spröde,
oft massig
150 bis 300
2,7 bis 2,8
3 Theoretische Grundlagen und Stand der Kenntnisse
3.3
19
Haftverhalten zwischen Gestein und Bitumen
Ein unzureichendes Haftverhalten bzw. eine unzureichende Adhäsion zwischen Gestein und Bitumen führt meistens zu irreparablen Schäden an der Asphaltschicht.
Heutzutage kommt dem Haftverhalten von Gestein und Bitumen eine immer größere
Bedeutung zu, da das Budget der Kommunen und Straßenverwaltungen immer knapper wird. Schäden können durch eine gezielte Auswahl der Baustoffe möglicherweise
von vornherein verhindert werden und damit die Lebensdauer der Straße erhöht werden. Das Forschungsthema „Adhäsion“ ist nicht neu; bereits seit Jahrzehnten wird die
Adhäsion von Gestein und Bitumen national und international untersucht.
Zur Beschreibung des Haftverhaltens sind verschiedene Theorien bekannt, jedoch
lässt sich das Haftverhalten nicht mit nur einer einzigen Theorie beschreiben, sondern
immer durch das Zusammenspiel von mehreren. Die bedeutendsten Theorien sind
nach [RENKEN, 2003] dabei folgende:




Thermodynamische Theorie oder auch Theorie der Grenzflächenenergien:
Nach dieser Theorie wird die Adhäsion als thermodynamische Erscheinung verstanden, die von der Oberflächenenergie der Stoffe abhängt. Hierbei spielt die
Polarität der Stoffe eine entscheidende Rolle, so werden polare Flüssigkeiten
von der Oberfläche der Gesteinskörnungen stärker angezogen als nichtpolare
Flüssigkeiten. [MAJIDZADEH, BROVOLD 1968]
Theorie der molekularen Orientierung:
Die Haftung von Bitumen und Gestein beruht auf den unterschiedlichen Ladungszuständen an den Grenzflächen. Bei Kontakt mit Gestein orientieren sich
die Bitumenmoleküle so, dass die Oberflächenenergien des Gesteins optimal
gesättigt werden. [MACK, 1957]
Chemische Theorie:
Die Haftung wird durch Reaktionen zwischen den chemischen Bestandteilen
des Bitumens und des Gesteins begründet. [RICE, 1958]
Mechanische Theorie:
Hiernach kommt es während des Mischvorgangs zu einer mechanischen Verzahnung des Bitumens mit dem Gestein, da das Bitumen in die Poren und Kapillaren des Gesteins eindringt. [McBAIN, HOPKINS, 1924]
Neben den verschiedenen Theorien, die dazu dienen das Haftverhalten Gestein - Bitumen zu beschreiben, gibt es ebenfalls unterschiedliche Ansätze, den Versagensmechanismus zu beschreiben. Dies sind folgende Theorien [MAJIDZADEH, BROVOLD
1968], [RENKEN, 2003]:


Verdrängungstheorie:
Das Wasser verdrängt aufgrund seiner höheren Oberflächenspannung das Bitumen.
Unterwanderungstheorie:
Auch bei einem intakten Bitumenfilm gelangt Wasser an die Grenzfläche zwischen Bitumen und Gestein. Entweder, das Wasser kommt aus dem Inneren,
3 Theoretische Grundlagen und Stand der Kenntnisse


20
da das Gestein noch feucht ist, oder es diffundiert von außen durch den Bitumenfilm. Die Unterwanderung kann ihre Ursache ebenfalls in der Verunreinigung des Gesteinskorns durch Staub haben.
Filmbruchtheorie:
Wasser dringt durch einen mechanischen Bruch des Bitumenfilms durch äußere
Lasteinwirkungen zur Gesteinsoberfläche vor.
Porendrucktheorie:
Das Bitumen wird an der Grenzfläche zum Gestein durch den Druck, der entsteht, wenn Wasser durch den Reifen in den Asphalt gedrückt wird, abgelöst.
Generell ist festzuhalten, dass ein Adhäsionsversagen erst durch den Einfluss von
Wasser möglich ist. Tab. 3-3 gibt einen Überblick über die weiteren vielzähligen Einflussfaktoren auf das Haftverhalten.
Tab. 3-3: Einflussgrößen auf das Haftverhalten in Anlehnung an [RENKEN, 2011; GROTHE, WISTUBA, 2010;
HIRSCH, FRIEMEL-GÖTTLICH, 2009; LABIB, 1992]
Komponente
Gestein
Einflussfaktoren






Mineralogische/petrographische Zusammensetzung
Chemische Zusammensetzung
Oberflächenrauigkeit
Porosität
Verstaubung und Feuchtigkeitsfilm
Lösliche Salze



Oberflächen-/Grenzflächenspannung
Viskosität
Provenienz, Säurezahl,
Paraffingehalt
Alterungsverhalten
Polymermodifizierung,
Haftverbesserer
Temperatur, Frost-Tau-Wechsel
Chemische Inhaltsstoffe, gelöste Salze
pH-Wert
Bitumen


Wasser



Im Folgenden werden kurz einige Erkenntnisse hinsichtlich der verschiedenen Einflussfaktoren, die in den jeweils genannten Forschungsvorhaben gewonnen wurden
bzw. aus der Literatur bekannt sind, zusammengefasst.
-
-
Saure Gesteine sind meist haftkritisch, während basische Gesteine sich meist positiv auf die Haftung auswirken. Je höher der Quarz- bzw. SiO2-Anteil desto haftkritischer ist das Gestein. [MAJIDZADEH, BROVOLD 1968]
Raue und poröse Gesteinsoberflächen sind vorteilhaft [MAJIDZADEH, BROVOLD
1968].
Staubpartikel und Feuchtigkeitsfilme wirken sich negativ auf die Adhäsion aus
[RENKEN, 2003].
Entgegen früheren Aussagen in der Literatur zeigten [HARDERS, NÖSLER, 2003]
mit dem Spurbildungstest, dass durch eine Abnahme der Oberflächenenergie der
3 Theoretische Grundlagen und Stand der Kenntnisse
-
-
-
-
21
Gesteinskörnungen - basierend auf den Lagerungszeiten auf offener Halde - eine
Verbesserung des Verformungswiderstandes erreicht wird.
Nach [MC CANN et al., 2005] ist die wichtigste Gesteinseigenschaft zur Abschätzung der Wasserempfindlichkeit die Säure-Unlösbarkeitszahl. Gute Korrelationen
zwischen diesem Kennwert haben die Autoren mit dem Kalziumanteil, dem Siliciumgehalt, dem Glühverlust und dem Zeta-Potential festgestellt. Somit können
diese Kennwerte auch anstelle der Säure-Unlösbarkeitszahl zur Vorhersage genutzt werden.
Eine niedrige Viskosität des Bitumens wirkt sich positiv auf die Benetzungsfähigkeit des Bitumens aus, da die Oberflächenspannung geringer ist, jedoch lassen
sich Bitumen mit einer hohen Viskosität schwerer von Wasser verdrängen [MAJIDZADEH, BROVOLD 1968].
Die Säurezahl des Bitumens begünstigt die Adhäsion, während ein hoher Paraffingehalt das Adhäsionsverhalten verschlechtert [RENKEN, 2003].
[JADA, SALOU, 2002] zeigten, dass der Kontaktwinkel bei Bitumen mit einem hohen Asphaltengehalt und/oder Bitumen mit einem geringen Verhältnis von Harzen
zu Asphaltenen höher ist. Ein hoher Kontaktwinkel steht für eine schlechtere Benetzungsfähigkeit des Bitumens. Die Adhäsionsarbeit nimmt mit abnehmenden
Verhältnis von Harzen zu Asphaltenen ab. Weiterhin stellten [JADA, SALOU,
2002] fest, dass Bitumen mit einem hohen Asphaltengehalt eine geringere Polarität aufweisen als andere.
[KHUDYAKOVA et al., 1992] konnten fast keinen Einfluss der chemischen Eigenschaften des Bitumens auf das Adhäsionsverhalten feststellen. Sie untersuchten
16 Bitumen verschiedener Härte und unterschiedlichen Provenienzen aus der damaligen UdSSR mit zwei verschiedenen Gesteinen.
4 Untersuchungsmethodik
22
4 Untersuchungsmethodik
4.1
Auswahl der Materialien
4.1.1 Bitumen
Für das Projekt wurden in Summe 90 Bitumenproben der Sorten 20/30, 30/45, 50/70,
70/100 und 160/220 beschafft. In einem ersten Schritt wurden acht über die Bundesrepublik Deutschland verteilte Asphaltmischanlagen ausgewählt (die den Lieferbereich
der acht deutschen Raffinerien abdecken) und von Ende 2011 bis Mitte 2012 jeweils
eine Probe des Bitumens der Sorte 50/70 bei Anlieferung an dem Tankkraftwagen
entnommen. Von diesen acht Proben wurden die physikalischen Eigenschaften und
die chemischen Zusammensetzungen bestimmt. Für die weitere Beprobung wurden
sechs Asphaltmischanlagen ausgewählt, die eine große Bandbreite der chemischen
Eigenschaften erwarten ließen.
In dem zweiten Schritt der Beprobung wurden 82 Bitumenproben entnommen. Die Beprobung erfolgte von Juli 2012 bis Dezember 2013. Während der Beprobung wurde
festgestellt, dass das Bitumen der Sorte 30/45 wesentlich seltener verwendet wird, als
bei der ursprünglichen Antragsstellung angenommen. Aus diesem Grund wurde die
Bitumensorte 160/220 zusätzlich mit in das Untersuchungsprogramm aufgenommen.
Von jeder Bitumensorte wurden zum Vergleich auch Proben direkt von den Raffinerien,
die die jeweilige Mischanlage beliefern, zur Verfügung gestellt. Die Anzahl wurde jedoch auf eine Probe je Sorte und Raffinerie beschränkt.
Die Bezeichnung der Proben wurde wie folgt gewählt:
z.B.:
4.6 50/70
Die erste Ziffer steht für die Provenienz bzw. Raffinerie (Nr. 1 bis 8), die zweite Ziffer
steht für den Zeitpunkt der Entnahme (Nr. 1 bis 7) und dahinter die jeweilige Bitumensorte. Weiterhin gibt es Proben, die an der zweiten Stelle ein R stehen haben
folgend von der Ziffer 1, dies kennzeichnet die Proben, die direkt von der Raffinerie
und nicht über eine Mischanlage bezogen wurden (z.B. 2.R1 50/70).
In Tab. 4-1 ist eine Übersicht der entnommenen Bitumenproben in Abhängigkeit von
der Provenienz und Bitumensorte gegeben.
4 Untersuchungsmethodik
23
Tab. 4-1: Übersicht der entnommenen Bitumenproben
Provenienz/Raffinerie
1
2
20/30
x
x
Raffinerie
x
x
x
30/45
x
x
Raffinerie
x
x
50/70
x
x
Raffinerie
x
x
x
Raffinerie
x
x
Raffinerie
x
x
x
x
Raffinerie
x
Raffinerie
x
x
Raffinerie
x
x
x
x
x
x
Raffinerie
3
4
x
x
5
6
Raffinerie
Raffinerie
7
8
Summe
Soll
Differenz
14
10
+4
7
20
-13
x
Raffinerie
x
x
x
x
Raffinerie
x
Raffinerie
30
25
+5
70/100
x
x
x
Raffinerie
x
x
x
x
x
Raffinerie
160/220
x
x
Raffinerie
x
x
Raffinerie
Raffinerie
Raffinerie
x
x
x
x
Raffinerie
x
x
Raffinerie
x
x
Raffinerie
x
x
Raffinerie
Raffinerie
x
x
x
Raffinerie
x
Raffinerie
.
27
25
+2
12
10
+2
Entnahme
1
2
3
4
5
6
7
1
2
3
4
5
1
2
1
2
3
4
5
6
7
8
1
2
3
4
5
1
2
1
2
3
4
5
1
2
90
90
0
4 Untersuchungsmethodik
24
4.1.2 Gesteine
Für die Auswahl von vier Gesteinen für die Adhäsionsversuche, die ein möglichst unterschiedliches Haftverhalten aufweisen sollen, wurden die folgenden acht Gesteinsarten, die in Deutschland im Straßenbau üblicherweise verwendet werden, untersucht.
-
Diabas
Grauwacke
Basalt
Rhyolith
Kalkstein
Granit
Moräne
Quarzit
Dabei wurde auch berücksichtigt, dass die ausgewählten Gesteine eine gute geografische Abdeckung der in Deutschland typischen Gesteinsarten aufweisen. Von allen
Gesteinen wurden die Lieferkörnungen 0/2 mm, 2/5 mm, 5/8 mm und 8/11 mm sowie
gröbere Gesteinsstücke für die Gesteinsansprache durch die jeweiligen Steinbrüche
bereitgestellt und die Gesteinseigenschaften (siehe Kapitel 4.3) bestimmt.
4.2
Bitumenuntersuchungen
Die 90 ausgewählten Straßenbaubitumen wurden im frischen Zustand chemisch und
physikalisch untersucht. Dazu wurden die Veränderungen wesentlicher physikalischer
Eigenschaften sowie die Änderung der Bitumenmasse aufgrund einer Kurzzeitalterung
bestimmt. Die Kurzzeitalterung wurde mit dem weltweit zu diesem Zweck angewendeten Rolling-Thin-Film-Oven-Test (RTFOT) nach [DIN EN 12607-1, 2013] simuliert.
4.2.1 Prüfverfahren zur Bestimmung der physikalischen Eigenschaften
Die detaillierte Analyse der physikalischen Bitumeneigenschaften wurden zum einen
mit den klassischen Prüfverfahren durchgeführt, an deren Einhaltung nach den [TL
Bitumen-StB 07, 2013] Anforderungen gestellt werden. Zum anderen wurden die Bitumen mit verfahrenstechnisch anspruchsvolleren, stärker an der Bitumenrheologie orientierten Verfahren analysiert.
Die drei klassischen Prüfverfahren Nadelpenetration, Erweichungspunkt Ring und Kugel und Brechpunkt nach Fraaß wurden entsprechend [DIN EN 1426, 2006], [DIN EN
1427, 2006] bzw. [DIN EN 12593, 2006] durchgeführt. Die beiden erstgenannten Prüfverfahren wurden sowohl an den frischen als auch an den nach [DIN EN 12607-1,
2013] kurzzeitgealterten Bitumen vorgenommen, während der Brechpunkt nach Fraaß
lediglich am frischen Bitumen bestimmt wurde.
Mit dem Kraftduktilitätsverfahren nach [DIN EN 13589, 2010] wurde das Streckverhalten im frischen Zustand analysiert. Zur einheitlichen Bewertung werden Bitumen gleicher Sorte bei jeweils identischen Temperaturen untersucht: 20/30 bei 25 °C, 30/45
und 50/70 bei 15 °C, 70/100 bei 10 °C, 160/220 bei 5 °C und Polymermodifizierte Bitumen bei 10 °C.
Das Kälteverhalten wurde mit dem Brechpunkt nach Fraaß sowie der Biegekriechsteifigkeit und dem m-Wert mit dem Biegebalken-Rheometer (BBR) nach [DIN EN 14771,
4 Untersuchungsmethodik
25
2013] charakterisiert. Hierbei wurde als einheitliche Prüftemperatur, abweichend von
den Vorgaben der [TL Bitumen-StB 07,2013], -16 °C gewählt.
Die rheologischen Kenngrößen komplexer Schermodul, komplexe Viskosität und Phasenwinkel wurden entsprechend [DIN EN 14770, 2013] ermittelt. Das in den [TL Bitumen-StB 07,2013] gegebene Temperaurspektrum wurde erweitert. Die Untersuchungen wurden bei Temperaturen von -10 bis +150 °C, jeweils bei einer Frequenz von
1,59 Hz, durchgeführt.
Neben der komplexen Viskosität, die bei Straßenbaubitumen im newtonschen Zustand
der dynamischen Viskosität entspricht, wurde bei den Polymermodifizierten Bitumen
die dynamische Viskosität nach [DIN EN 13702-1, 2010] zwischen 100 und 150 °C
bestimmt.
4.2.2 Prüfverfahren zur Bestimmung der chemischen Zusammensetzung
Die chemische Zusammensetzung der frischen Straßenbaubitumen wurde ausgehend
von drei für die Charakterisierung des Bitumens relevanten Ansätzen untersucht.
Der Paraffingehalt, der als Anteil der Kohlenwasserstoffe, die „in einem 50%igen
Ether-Ethanol-Gemisch (Volumenanteil) bei Temperaturen bis -20 °C kristallisieren
und einen Schmelzbereich oberhalb 25 °C“ haben, definiert wird, wird mittels destruktiver Destillation nach [DIN EN 12606-1, 2006] bestimmt.
Eine Aufspaltung des Bitumens in chemisch ähnliche Gruppen wurde in Anlehnung an
[SEBOR, 1999] durchgeführt. Hierbei findet eine Aufspaltung der Bitumen mittels Flüssigchromatographie in einer Säule statt, die vor allem auf der unterschiedlichen Polarität beruht. Bei dieser SARA-Analyse findet eine Trennung in Aliphaten (Saturates),
Mono-, Di- und Polyaromaten (Aromatics), Harze (Resins, im Deutschen meist als polare Verbindungen bezeichnet) und Asphaltene (Asphaltens) statt. Hierzu werden die
Asphaltene im ersten Schritt abgetrennt, indem das Bitumen in Isooctan versetzt, diese
Mischung gekocht und nach dem Abkühlen filtriert wird. Die verbleibende Maltenephase wird in eine Säule überführt. Diese Säule ist mit Aluminiumoxid und Kieselgel
(jeweils mit Isooctan gesättigt) gepackt. Zum Lösen der Aliphate, Mono-, Di- bzw. Polyaromate und polare Verbindungen werden die folgenden fünf Elutionsmittel als mobile Phasen über die Säule geführt:
-
Reines Isooctan
Isooctan / Toluol im Verhältnis 19 / 1
Isooctan / Toluol im Verhältnis 17 / 3
Reines Toluol
Toluol / Diethylether / Methanol im Verhältnis 1 / 1 / 3
Die Asphaltene wurden in einem separaten Verfahren entsprechend der Anleitung von
[ZENKE, 1989] in drei Gruppen unterteilt: leicht-, mittel- und schwerlösliche Asphaltene. Jede Gruppe wird durch ein dreimaliges Lösen und Fällen mit unterschiedlich
zusammengesetzten Lösungs- und Fällungsmittel abgetrennt. Für eine exakte Beschreibung des Versuchsablaufs wird auf [ZENKE, 1989] verwiesen.
4 Untersuchungsmethodik
26
Mittels Gaschromatographie wurden die Straßenbaubitumen bezüglich ihrer thermischen Stabilität untersucht. Entsprechend dem von [THIMM, 2003] beschriebenen
Verfahren werden die Bitumen in eine Säule (Schlauch) gegeben, in der sie kontinuierlich aufgeheizt werden. Die gelösten Verbindungen werden durch einen Detektor
am Ende der Säule erfasst und den dazugehörigen Temperaturen zugeordnet. Das
temperaturabhängige Siedeverhalten der Bitumen lässt Rückschlüsse auf die Verteilung der Molekülgrößen der Kohlenwasserstoffverbindungen im Bitumen zu.
4.3
Gesteinsuntersuchungen
Zur Auswahl von vier Gesteinen für die Adhäsionsversuche wurden als Grundlage die
folgenden Kennwerte ermittelt:






4.4
4.4.1
Korngrößenverteilung [DIN EN 933-1, 2012] und
Rohdichte der Lieferkörnungen [DIN EN 1097-6, 2013],
Reindichte zur Berechnung der Porosität,
Mineralogisch-petrografische Zusammensetzung mittels Röntgendiffraktometrie,
Quarzgehalt und
Spezifische Oberfläche an der Fraktion 8/11 mm (berechnet).
Versuche zum Haftverhalten
Rolling-Bottle-Test
Der Rolling-Bottle-Test wurde entsprechend [DIN EN 12697-11, 2012] durchgeführt.
Als Gesteinskörnung wurde die Kornklasse 8/11 mm ausgewählt. Der Umhüllungsgrad
wurde nach 6, 24 und 48 h bestimmt. Auf eine Ermittlung des Umhüllungsgrades nach
72 h wurde verzichtet, da bei dieser Prüfdauer der mechanische Einfluss sehr hoch
ist. Wie in Bild 4-1 zu sehen, kommt es durch Kornabrieb zu einer Erhöhung der Kreisförmigkeit.
Bild 4-1: Einfluss der Prüfdauer beim Rolling-Bottle-Versuch auf die Kreisförmigkeit [RUBE, GEHRKE, 2013]
4 Untersuchungsmethodik
27
4.4.2 Schüttelabriebversuch
Beim Schüttelabriebversuch wurde das Prüfgerät gemäß [DIN EN 12274-7, 2005] verwendet. Das Schüttelabriebgerät ist in Bild 4-2 zu sehen.
Bild 4-2: Schüttelabriebgerät
Abweichend von der [DIN EN 12274-7, 2005] wurden die Probekörper aus Gesteinskörnungen 0,5/2 mm einer Gesteinsart hergestellt. Die Lieferkörnung 0/2 mm wurde
dazu über dem 0,5 mm Sieb ausgesiebt und ausgewaschen. Damit wurde der Einfluss
von Eigenfüller und anderen Staubpartikeln auf die Adhäsion ausgeschlossen.
Für die Probenherstellung wurden die Formen entsprechend [DIN EN 12274-7] verwendet. Die Probekörper wurden mit einer statischen Presse weggeregelt bis zum Erreichen der Endhöhe von 25 mm verdichtet. Die dafür benötigte Kraft variierte dabei in
Abhängigkeit von der Gesteinsart. Die Einwaage wurde durch Vorversuche auf
33 ± 3 g festgelegt. Der Bindemittelgehalt wurde in Vorversuchen mit dem Diabas so
gewählt, dass ein Hohlraumgehalt von 32 ± 2 Vol.-% erreicht wird. Bei den anderen
2,650
Gesteinen wurde der Bindemittelgehalt über den Faktor α (α = ρ ) angepasst. LetztP
lich wurde bei der Probekörperherstellung bei allen Gesteinen ein Hohlraumgehalt von
33 ± 3 Vol.-% erreicht.
Die Probekörper wurden anschließend entsprechend [DIN EN 12274-7, 2005] in einen
der Schüttelzylinder mit 750 ml frischem Leitungswasser (pH-Wert 7) gegeben und bei
einer Geschwindigkeit von 20 U/min bis zu einer Gesamtzahl von 3.600 Umdrehungen
in der Schüttelvorrichtung gedreht. Nach der Belastung werden die Probekörper bis
zur Massekonstanz getrocknet und der Abrieb durch den Vergleich der Masse vor und
nach der Prüfung berechnet.
4.4.3 Bestimmung der Wasserempfindlichkeit
Die Wasserempfindlichkeit wurde entsprechend [TP Asphalt StB 07, Teil 12] bei 15 °C
an Marshall-Probekörpern (MPK) bestimmt. Entgegen der [TP Asphalt StB 07, Teil 12]
wurden die MPK mit 100 Schlägen verdichtet. Es wurde jedoch eine Mischgutrezeptur
in Anlehnung an den SMA 8 LA [Entwurf E LA D, 2014] gewählt, der von vornherein
einen höheren Hohlraumgehalt aufweist, um ein Adhäsionsversagen im gesamten
4 Untersuchungsmethodik
28
Probekörper zu provozieren. Auf die Zugabe von Füller wurde auch bei diesem Prüfverfahren verzichtet, um diesen weiteren Einflussfaktor auf die Adhäsion auszuschlie2,650
ßen. Der Bindemittelgehalt wurde über den Faktor α (α = ρ ) angepasst.
P
Von den Probekörpern wurde neben dem Verhältniswert ITSR (Indirect Tensile
Strength Ratio) der statischen Spaltzugfestigkeit (indirekte Zugfestigkeit) von wassergelagerten und trockenen Probekörpern in Prozent auch das Ermüdungsverhalten bei
mittlerer Belastung mit dem Spaltzug-Schwellversuch bestimmt.
4.4.4 Kontaktwinkelmessungen
Die Kontaktwinkelmessungen wurden mit dem Gerät DSA 10 der Firma Krüss durchgeführt.
Mit diesem Gerät kann sowohl die Messung des Kontaktwinkels mit der „Sessile-DropMethode“ (Liegender Tropfen) als auch die Bestimmung der Oberflächenenergie mit
der „Pendant-Drop-Method“ (Hängender Tropfen) erfolgen. So können die Gesteine
durch vier verschiedene Prüflösungen, die durch eine automatische Dosiereinheit auf
eine Oberfläche aufgebracht werden, untersucht werden. Zusätzlich lässt sich unter
Verwendung eines Hochtemperaturdosiersystems (Typ DO3040) und einer Hochtemperaturmesszelle (Typ TC 20) die Wechselwirkung zwischen dem Bitumen und den
Gesteinen analysieren.
Der Kontaktwinkel wurde zwischen den verschiedenen Bitumen und polierten Gesteinsoberflächen gemessen. Aus gröberen Gesteinsbrocken wurden dazu Gesteinsplatten gesägt und poliert, um den Einfluss der Gesteinsrauheit und Porosität auszuschließen. Die Messungen wurden bei Äquiviskositätstemperatur (EVT) der Bitumen
durchgeführt. Die EVT wurde über die DSR-Ergebnisse so bestimmt, dass ein komplexer Schermodul von 209 Pa vorliegt. Bei diesem komplexen Schermodul wurde
eine gute Tropfenbildung erzielt. Weiterhin wurde die Oberflächenspannung der Gesteine und Bitumen bestimmt.
In Bild 4-3 sind die Zusammenhänge zwischen dem Kontaktwinkel bzw. Kontaktwinkel
und der Benetzung für verschiedene Winkel vergleichend dargestellt. Je kleiner der
Kontaktwinkel ist, desto besser ist die Benetzung.
4 Untersuchungsmethodik
29
Bild 4-3: Qualität der Benetzung in Abhängigkeit vom Kontaktwinkel [KORN, 2004]
4.5
Einfluss der Polymermodifizierung von Bitumen auf das Haftverhalten
Neben den reinen Straßenbaubitumen wurden die Adhäsionsversuche auch an Polymermodifizierten Bitumen durchgeführt. Eindeutige Rückschlüsse auf den Einfluss der
Polymerzusätze wurden durch das Beimischen handelsüblicher Produkte zu einem der
bereits untersuchten Straßenbaubitumen, dem Bitumen 2.1 50/70, sichergestellt. Mit
drei unterschiedlich aufgebauten Styrol-Butadien-Styrol (SBS) Polymeren, zwei Ethylenvinylacetaten (EVA) und einem bereits mit Bitumen gemischten Ethylencopolymerisaten (ECB) wurden drei Elastomere und drei Thermoplaste verwendet, die SBS- und
das ECB-Polymer wurden jeweils zu 3 M.-% mit dem gewählten Bitumen 2.1 50/70
homogen vermischt, beim EVA reichte bereits ein Zugabeanteil von 1,2 M.-% aus, um
die gleiche Viskosität wie bei den anderen PmB zu erreichen.
Ob sich eine Modifizierung positiv auf das Haftverhalten auswirkt, wurde mit dem Rolling-Bottle-Test und dem Schüttelabriebversuch überprüft.
5 Versuchsergebnisse
30
5 Versuchsergebnisse
5.1
Bitumen
Aufgrund der sehr großen Datenmenge wird in diesem Kapitel auf eine tabellarische
Darstellung aller Ergebnisse verzichtet. Die detaillierten Ergebnisse sind dem Anhang 1 zu entnehmen.
In Bild 5-1 sind die normgerecht aus Doppel- bzw. Dreifachbestimmungen gemittelten
Untersuchungsergebnisse der Nadelpenetration und des Erweichungspunktes Ring
und Kugel der frischen Straßenbaubitumen dargestellt. Durch die farbliche Kennzeichnung wird die klare Abgrenzung der verschiedenen Bitumensorten anhand dieser
Kennwerte deutlich.
70
Erweichungspunkt Ring und Kugel [ C]
20/30
30/45
60
50/70
70/100
160/220
50
40
30
20
10
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
Nadelpenetration bei 25 C [1/10 mm]
Bild 5-1: Nadelpenetration bei 25 °C und Erweichungspunkt Ring und Kugel der untersuchten Straßenbaubitumen
Zur Darstellung der Wirkung der Elastomere und Plastomere sind in Tab. 5-1 die Ergebnisse der Nadelpenetration und des Erweichungspunktes Ring und Kugel der modifizierten Bitumen sowie des zur Modifizierung verwendeten Basisbitumens 2.1 50/70
zusammengefasst.
5 Versuchsergebnisse
31
Tab. 5-1: Ergebnisse der Nadelpenetration und Erweichungspunkt Ring und Kugel der modifizierten Bitumen
Nadelpenetration
Erweichungspunkt Ring und Kugel
[1/10 mm]
[°C]
2.1 50/70
50
50,0
2.1 50/70 + Elastomer A
38
57,0
2.1 50/70 + Elastomer B
38
59,8
2.1 50/70 + Elastomer C
39
59,0
2.1 50/70 + Plastomer A
41
55,8
2.1 50/70 + Plastomer B
47
56,6
2.1 50/70 + Plastomer C
48
55,0
Bitumen
Die Auswirkungen einer Kurzzeitalterung nach dem RTFOT-Verfahren auf die Nadelpenetration und den Erweichungspunkt Ring und Kugel sind Bild 5-2 zu entnehmen.
Die prozentuale verbleibende Nadelpenetration und die Zunahme des Erweichungspunktes Ring und Kugel sind in Abhängigkeit von der Bitumensorte farblich gekennzeichnet.
Zunahme Erweichungspunkt Ring und
Kugel nach RTFOT [ C]
10,0
20/30
9,0
30/45
50/70
8,0
70/100
160/220
7,0
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Verbleibende Nadelpenetration nach RTFOT [%]
Bild 5-2: Auswirkungen einer Kurzzeitalterung (RTFOT): Verbleibende Nadelpenetration bei 25 °C und Zunahme
des Erweichungspunktes Ring und Kugel der untersuchten Straßenbaubitumen
Zur Analyse des Kälteverhaltens wurden bei den frischen Straßenbaubitumen der
Brechpunkt nach Fraaß sowie die Biegekriechsteifigkeit und der m-Wert bestimmt.
Dem Bild 5-3 sind die Brechpunkte der Bitumen zu entnehmen. Die verschiedenen
Bitumensorten sind hierbei farblich gekennzeichnet.
5 Versuchsergebnisse
32
Brechpunkt nach Fraaß [ C]
0
-5
-10
-15
20/30
30/45
-20
50/70
70/100
160/220
-25
Bild 5-3: Brechpunkt nach Fraaß der untersuchten Straßenbaubitumen
Biegekriechsteifigkeit bei -16 C [-]
Die Bestimmung der Biegekriechsteifigkeit und des m-Wertes mittels BBR erfolgte bei
einer Temperatur von -16 °C. Zur Auswertung wurden in Bild 5-4 die Kennwerte nach
einer Belastungszeit von 60 s zusammengefasst.
1.000
100
20/30
R² = 0,9467
30/45
50/70
70/100
160/220
10
0,000
0,100
0,200
0,300
0,400
0,500
0,600
m-Wert bei -16 C [MPa]
Bild 5-4: m-Wert und Biegekriechsteifigkeit (jeweils bei -16 °C) der untersuchten Straßenbaubitumen
In Bild 5-5 und Bild 5-6 sind die rheologischen Größen komplexer Schermodul und
Phasenwinkel der frischen Straßenbaubitumen jeweils in Abhängigkeit von der Messtemperatur zusammengefasst. Die ebenfalls mittels DSR bestimmten rheologischen
Größen der Polymermodifizierten bzw. gealterten Bitumen sind zur Verdeutlichung separat in den Bildern 6-10 und 6-11 bzw. 6-30 und 6-31 dargestellt.
5 Versuchsergebnisse
33
1,E+09
20/30
30/45
50/70
70/100
160/220
Kompl. Schermodul [Pa]
1,E+08
1,E+07
1,E+06
1,E+05
1,E+04
1,E+03
1,E+02
1,E+01
1,E+00
-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
140
160
Temperatur [ C]
Bild 5-5: Temperaturabhängige komplexe Schermoduln der untersuchten Straßenbaubitumen
100
90
Phasenwinkel [ ]
80
70
20/30
30/45
50/70
70/100
160/220
60
50
40
30
20
10
0
-20
0
20
40
60
80
100
120
Temperatur [ C]
Bild 5-6: Temperaturabhängige Phasenwinkel der untersuchten Straßenbaubitumen
Die im Rahmen des Forschungsprojektes ermittelten Kennwerte zur chemischen Zusammensetzung sind in Bild 5-7 bis Bild 5-9 zusammengefasst. Die Paraffingehalte
der untersuchten Straßenbaubitumen sind Bild 5-7 zu entnehmen.
5 Versuchsergebnisse
34
2,5
20/30
30/45
50/70
Paraffingehalt [M.-%]
2,0
70/100
160/220
1,5
1,0
0,5
0,0
Bild 5-7: Paraffingehalte der untersuchten Straßenbaubitumen
In Bild 5-8 sind die Ergebnisse der SARA-Analyse und des Asphaltenstatus nach
ZENKE zusammengefasst. Für jede Bitumensorte sind hierbei die durchschnittlichen
Anteile der Aliphaten, Mono-, Di- und Poly-Aromaten, der polaren Verbindungen sowie
der leicht-, mittel- und schwerlöslichen Asphaltene dargestellt. Zudem ist jeweils die
Spanne zwischen dem niedrigsten und höchsten gemessenen Wert angegeben.
60,0
50,0
40,0
30,0
20,0
10,0
0,0
20/30
30/45
50/70
70/100
160/220
Aliphaten
MonoAromaten
Di-Aromaten
PolyAromaten
9,1
10,1
8,8
8,9
11,0
13,4
12,1
12,5
13,2
13,9
10,1
11,7
11,4
12,3
11,7
15,7
18,4
19,8
19,4
17,2
Polare
Leichtlösliche Mittellösliche
Verbindungen Asphaltene
Asphaltene
29,3
25,9
29,2
29,5
31,7
4,7
5,1
5,0
4,8
4,8
8,5
9,7
8,7
8,8
7,1
Schwerlösliche
Asphaltene
9,0
6,9
5,0
3,2
2,7
Bild 5-8: Chemischen Zusammensetzungen der untersuchten Straßenbaubitumen anhand der SARA-Analyse
und des Asphaltenstatus nach ZENKE; je Bitumensorte die Mittelwerte sowie das Minimum und das
Maximum
5 Versuchsergebnisse
35
Die Ergebnisse der Siedeanalyse sind Bild 5-9 zu entnehmen. Hierbei ist der Siedeanteil in Abhängigkeit von der Versuchszeit dargestellt. Der Versuchszeit ist ein einheitliches Temperaturprogramm zugeordnet: zu Versuchsbeginn beträgt die Ofentemperatur 45 °C. Nach Ablauf einer Minute wird eine Erwärmung mit einem Temperaturgradienten von 7,5 °C pro Minute durchgeführt. Die Ofentemperatur ist bei der gaschromatographischen Analyse jedoch nicht mit der Siedetemperatur des Bitumens
selbst gleichzusetzen.
100
20/30
30/45
50/70
70/100
160/220
90
Siedeanteil [M.-%]
80
70
60
50
40
30
20
10
0
20
25
30
35
Zeit [min]
Bild 5-9: Ergebnisse der Siedeanalysen der untersuchten Straßenbaubitumen
40
45
5 Versuchsergebnisse
5.2
36
Gesteinskörnungen
Die Ergebnisse der Korngrößenverteilungen und Rohdichten der Lieferkörnungen sind
im Anhang 2 aufgeführt. In Tab. 5-2 sind die Quarzanteile der verschiedenen Gesteine
zusammengefasst, diese wurden mittels Röntgenbeugung semi-quantitativ ermittelt.
Tab. 5-2: Quarzanteile der Gesteine
Quarzanteil
[%]
Basalt
Diabas
Granit
Grauwacke
Kalkstein
Rhyolith
Moräne
0
10 - 15
20 - 30
50 - 60
5
20
60
Der Tab. 5-3 sind die Ergebnisse der Reindichte, Porosität und spezifischen Oberfläche der Lieferkörnung 8/11 mm zu entnehmen. Die spezifische Oberfläche wurde mit
der folgenden Formel unter der Annahme eines Formbeiwertes von af = 8 berechnet:
O = ∑ Oi =
i
mit:
af
10 ∙ ai m2
∙ ∑(
)[
]
ρRg
dm,i
kg
i
O
Oi
ρRg
[m²/kg]
[m²/kg]
[kg/m³]
spezifische Oberfläche
Oberfläche der Korngruppe i
mittlere Kornrohdichte der Gesteinskörnung
dm,i
[mm]
mittlerer Korndurchmesser der Korngruppe i
= √(du,i ∙ do,i )
unterer bzw. oberer Korndurchmesser der Korngruppe i
Anteil der Korngruppe i
Formbeiwert
du,i /do,i [mm]
ai
[M.-%]
af
[-]
Tab. 5-3: Reindichte, Porosität und spez. Oberfläche der Lieferkörnung 8/11 mm
Kennwert
Einheit
Basalt Diabas Granit Grauwacke Kalkstein
Reindichte
[g/cm³]
3,024
2,881
2,658
2,754
2,739
2,658
[%]
2,1
0,7
1,0
1,7
0,9
0,3
[m²/kg]
0,288
0,298
0,324
0,315
0,314
0,322
Porosität der
Lieferkörnung 8/11 mm
Spezifische Oberfläche
8/11 mm
Rhyolith
Zur Bestimmung des Mineralbestands wurde eine repräsentative Teilmenge jeder
Probe bei 40 °C getrocknet, gemahlen und eine Röntgendiffraktometeraufnahme angefertigt. Die Grafiken der Röntgendiffraktometrie der Gesteine sind im Anhang 2 dargestellt. In Tab. 5-4 sind die ermittelten Mineralphasen den jeweiligen Gesteinen zugeordnet.
5 Versuchsergebnisse
37
Tab. 5-4: Mineralische Zusammensetzung der Gesteinsproben
Mineralphasen
qualitativ
Basalt
Diabas
Granit
Grauwacke
Kalkstein
Rhyolith
Moräne
Olivin
(Fe-haltiger Forsterit)
X
-
-
-
-
-
-
Klinopyroxen
(D=Diopsid/A=Augit)
XD
XA
-
-
-
-
-
-
X
-
-
-
-
-
XAn
XAb
XAb
XAb
-
XAb
XAb
Kalifeldspat
(wahrscheinlich Mikroklin)
-
-
X
X
-
X
-
Orthoklas
-
-
-
-
-
-
X
Spinell
(Titanomagnetit
Ti-haltiger Magnetit)
X
-
-
-
-
-
-
Quarz
-
X
X
X
X
X
X
-
X
X
X
-
XV
-
-
X
XB
X
-
XB
X
Calcit
-
-
-
-
X
-
X
Dolomit
-
-
-
-
X
-
-
Mg-Hornblende
Plagioklas
(Albit=Ab
bzw. Andesin=An)
Chlorit
(Clinochlor)
(V= Chlorit oder Vermikulit)
Muskovit
(B=Muskovit oder/und Biotit
bzw. I=Muskovit/Illit)
*die Reihenfolge der Mineralphasenlistung gibt keinen Aufschluss über die quantitative Verteilung der Phasen
5 Versuchsergebnisse
5.3
38
Versuche zum Haftverhalten
5.3.1 Ausgewählte Materialien
Zur Auswahl der Gesteine für die Adhäsionsversuche wurde der Rolling-Bottle-Test
zunächst mit allen zur Verfügung stehenden Gesteinen und einem Bindemittel
(2.1 50/70) durchgeführt. Die Ergebnisse sind in Bild 5-10 vergleichend dargestellt.
100
Bindemittel
2.1 50/70
90
Umhüllungsgrad [%]
80
70
Granit
Kalkstein
60
Basalt
50
Rhyolith
40
Grauwacke
Diabas
30
Moräne
20
Quarzit
10
0
0
Bild 5-10:
6
12
18
24
30
Rolldauer [h]
36
42
48
Ergebnisse des Rolling-Bottle-Tests zur Auswahl der Gesteine für weitere Adhäsionsversuche
Für die weiteren Adhäsionsversuche wurden die Gesteine Basalt, Diabas, Grauwacke
und Rhyolith ausgewählt.
Der ausgewählte Rhyolith ist demnach ein sehr haftkritisches Gestein, während der
Basalt im Rolling-Bottle-Test sehr gute Umhüllungsgrade erzielte. Dem Basalt wurde
gegenüber dem Kalkstein der Vorzug gegeben, da dieser im Straßenbau oft als grobe
Gesteinskörnung verwendet wird, während der Kalkstein als grobe Gesteinskörnungen
überwiegend nur in Tragschichten eingesetzt wird. Der Diabas lässt sich als neutrales
Gestein einstufen und die Grauwacke als tendenziell eher haftkritisches Gestein. Bei
folgenden Prüfverfahren werden Rhyolith und Basalt verwendet:




Rolling-Bottle-Test nach [DIN EN 12697-11, 2012]
Schüttelabriebversuch nach [DIN EN 12274-7, 2005]
Bestimmung der Wasserempfindlichkeit nach [TP Asphalt StB 07, Teil 12]
Kontaktwinkelmessungen
Basierend auf der chemischen Zusammensetzung wurden die in Tab. 5-5 aufgeführten
Bitumen für die Adhäsionsversuche ausgewählt. Mit diesen Bitumen wird die größtmögliche Bandbreite der chemischen Zusammensetzung der untersuchten Bitumen
abgedeckt.
5 Versuchsergebnisse
39
Tab. 5-5: Für die Adhäsionsversuche ausgewählte Bitumen
Bitumensorte
20/30
30/45
50/70
70/100
160/220
Ausgewählte Bitumenproben
1.2, 2.1, 2.2
2.R1, 6.R1
1.1, 1.2, 2.1, 2.2
2.1, 5.1, 7.1
1.2, 2.1, 2.2
5.3.2 Rolling-Bottle-Test
In Bild 5-11 bis Bild 5-14 sind die Ergebnisse des Rolling-Bottle-Tests für eine Rolldauer von 6 h, 24 h und 48 h der verschiedenen Gesteine und Bitumen aufgeführt.
100
90
80
Umhüllungsgrad [%]
70
1.2 20/30
60
2.1 20/30
2.2 20/30
50
2.R1 30/45
6.R1 30/45
40
1.2 50/70
7.1 70/100
30
2.1 160/220
20
10
0
0
Bild 5-11:
6
12
18
24
Rolldauer [h]
Ergebnisse Rolling-Bottle-Test mit Rhyolith
30
36
42
48
5 Versuchsergebnisse
40
100
90
80
1.2 20/30
70
Umhüllungsgrad [%]
2.1 20/30
2.2 20/30
60
2.R1 30/45
6.R1 30/45
50
1.1 50/70
1.2 50/70
40
2.1 50/70
2.2 50/70
30
1.2 160/220
2.1 160/220
20
2.2 160/220
10
0
0
Bild 5-12:
6
12
18
24
Rolldauer [h]
30
36
42
48
Ergebnisse Rolling-Bottle-Test mit Diabas
100
90
80
1.2 20/30
Umhüllungsgrad [%]
70
2.1 20/30
2.2 20/30
60
2.R1 30/45
6.R1 30/45
1.1 50/70
50
1.2 50/70
2.1 50/70
40
2.2 50/70
4.1 50/70
30
7.1 50/70
1.2 160/220
20
2.1 160/220
10
0
0
Bild 5-13:
6
12
18
24
Rolldauer [h]
Ergebnisse Rolling-Bottle-Test mit Grauwacke
30
36
42
48
5 Versuchsergebnisse
41
100
90
80
1.2 20/30
Umhüllungsgrad [%]
70
2.1 20/30
2.2 20/30
60
2.R1 30/45
6.R1 30/45
1.1 50/70
50
1.2 50/70
2.1 50/70
40
2.2 50/70
4.1 50/70
30
7.1 50/70
2.1 70/100
20
7.1 70/100
10
0
0
Bild 5-14:
6
12
18
24
Rolldauer [h]
30
36
42
48
Ergebnisse Rolling-Bottle-Test Basalt
In Tab. 5-6 sind die Ergebnisse des Rolling-Bottle-Tests der polymermodifizierten Bitumen zusammengefasst.
Tab. 5-6:
Ergebnisse Rolling-Bottle-Test mit Rhyolith, Diabas, Grauwacke und Basalt mit den Polymermodifizierten Bitumen
Umhüllungsgrad [%]
Rhyolith
Bitumen
Diabas
Grauwacke
Basalt
6h
24 h
48 h
6h
24 h
48 h
6h
24 h
48 h
6h
24 h
48 h
2.1 50/70 + Elastomer A
40
5
5
75
60
50
90
85
65
90
85
50
2.1 50/70 + Elastomer B
80
20
5
90
70
35
85
70
60
90
60
50
2.1 50/70 + Elastomer C
65
5
5
95
40
25
90
75
65
95
80
60
2.1 50/70 + Plastomer A
45
5
0
90
35
20
85
30
25
90
40
35
2.1 50/70 + Plastomer B
75
40
25
85
45
30
85
75
45
90
85
50
2.1 50/70 + Plastomer C
85
45
35
85
45
30
85
60
40
90
75
60
5.3.3 Schüttelabriebversuch
Die Mittelwerte des Schüttelabriebversuchs der verschiedenen Gesteine und Bitumen
sind Tab. 5-7 zu entnehmen. Da die Zusammensetzung der Probekörper deutlich von
der Norm abweicht und sehr hohlraumreich ist, kam es innerhalb einer Variante zu
größeren Streuungen zwischen den einzelnen Versuchsergebnissen als nach [DIN EN
5 Versuchsergebnisse
42
12274-7, 2005] zulässig. Die Ausreißergrenze wurde auf eine maximal zulässige Standardabweichung von 4 % festgelegt.
Tab. 5-7:
Ergebnisse des Schüttelabriebversuchs mit Rhyolith, Diabas, Grauwacke und Basalt
Abrieb [%]
Bitumen
Rhyolith
Diabas
Grauwacke
Basalt
2.1 20/30
64,1
62,6
78,0
75,0
2.2 20/30
58,7
49,8
58,9
65,7
2.R1 30/45
52,3
50,5
52,3
61,3
6.R1 30/45
39,8
34,1
39,1
43,7
1.1 50/70
42,6
42,4
47,9
48,0
1.2 50/70
41,0
48,8
41,0
45,6
2.1 50/70
44,8
46,5
43,9
44,8
2.2 50/70
38,5
35,8
33,2
31,2
2.1 70/100
21,3
20,1
21,1
10,9
5.1 70/100
14,3
21,3
23,0
25,0
1.2 160/220
7,8
5,6
7,8
1,3
2.1 160/220
9,2
8,2
15,7
2,8
2.2 160/220
10,1
5,5
9,5
10,8
In Tab. 5-8 sind die Ergebnisse des Schüttelabriebversuchs für die Polymermodifizierten Bitumen zusammengefasst.
Tab. 5-8:
Ergebnisse des Schüttelabriebversuchs der Polymermodifizierten Bitumen mit Rhyolith, Diabas, Grauwacke und Basalt
Abrieb [%]
Bitumen
Rhyolith
Diabas
Grauwacke
Basalt
2.1 50/70 + Elastomer A
27,6
32,6
39,1
55,6
2.1 50/70 + Elastomer B
37,2
35,3
34,1
38,1
2.1 50/70 + Elastomer C
38,5
28,3
33,2
42,2
2.1 50/70 + Plastomer A
35,9
27,0
37,6
24,3
2.1 50/70 + Plastomer B
23,3
26,8
22,4
17,1
2.1 50/70 + Plastomer C
17,2
25,1
25,3
19,0
5 Versuchsergebnisse
43
5.3.3 Bestimmung der Wasserempfindlichkeit
Die Wasserempfindlichkeit wurde entsprechend [TP Asphalt StB 07, Teil 12] bei 15 °C
an Marshall-Probekörpern (MPK) bestimmt. Die Zusammensetzungen der MarshallProbekörper in Abhängigkeit von der Gesteinsart sind in Tab. 5-9 zusammengefasst.
Tab. 5-9:
Mischgutzusammensetzung und -eigenschaften der Probekörper für die Bestimmung der Wasserempfindlichkeit
Einheit
Rhyolith
Basalt
Anteil Feine Gesteinskörnung 0/2 mm
[M.-%]
11
12
Anteil Grobe Gesteinskörnung 2/5 mm
[M.-%]
4
4
Anteil Grobe Gesteinskörnung 5/8 mm
[M.-%]
85
84
Rohdichte Gesteinsgemisch
[g/cm³]
2,647
2,965
11,2 mm
[M.-%]
100,0
100,0
8,0
mm
[M.-%]
93,0
94,9
5,6
mm
[M.-%]
26,7
27,7
2,0
mm
[M.-%]
10,6
11,8
0,125 mm
[M.-%]
1,8
1,5
0,063 mm
[M.-%]
1,0
1,0
[M.-%]
7,5
6,7
Raumdichte ρb gemessen
[g/cm³]
1,924
2,136
Raumdichte ρb SSD
[g/cm³]
2,141
2,370
Rohdichte ρm
[g/cm³]
2,364
2,629
Hohlraumgehalt basierend auf gemessener Raumdichte
[Vol.-%]
18,6
18,8
Hohlraumgehalt basierend auf Raumdichte SSD
[Vol.-%]
9,4
9,9
Mischgutzusammensetzung und -eigenschaften
Zusammensetzung der Gesteinskörnungen
Kornverteilungslinie (Siebdurchgang)
Bindemittelanteil und -eigenschaften
Bindemittelgehalt B
Mischguteigenschaften
In Tab. 5-10 sind die Ergebnisse für den Verhältniswert ITSR (Indirect Tensile Strength
Ratio) der statischen Spaltzugfestigkeit (indirekte Zugfestigkeit) von wassergelagerten
und trockenen Probekörpern aufgeführt, die mit Hilfe des statischen Spaltzugversuches bei einer Temperatur von 15 °C bestimmt wurden. ITSR ist der Verhältniswert
der Spaltzugfestigkeit nach Wasserlagerung zu der Spaltzugfestigkeit vor Wasserlagerung. Hierbei handelt es sich um die Mittelwerte einer 3-fach Bestimmung. Als Ausreißer wurden gemäß [TP Asphalt StB 07, Teil 23] Messungen mit Abweichungen größer als 17 % vom Mittelwert deklariert.
5 Versuchsergebnisse
44
Tab. 5-10: Ergebnisse der statischen Spaltzugversuche bei T = 15 °C mit Basalt und Rhyolith
Gestein
Basalt
Rhyolith
Bitumen
1.4 20/30
2.1 20/30
2.2 20/30
1.2 30/45
6.R1 30/45
1.1 50/70
1.2 50/70
2.1 50/70
2.2 50/70
2.1 70/100
5.1 70/100
7.4 70/100
1.4 20/30
2.1 20/30
2.2 20/30
1.2 30/45
2.R1 30/45
6.R1 30/45
1.1 50/70
1.2 50/70
2.1 50/70
2.2 50/70
2.1 70/100
5.1 70/100
7.4 70/100
ITStrocken
[kPa]
1.452
1.651
1.567
1.612
926
1.130
1.200
1.182
1.192
715
963
1.061
1.408
1.523
1.364
1.510
1.155
1.065
1.213
1.421
1.231
1.034
953
892
1.173
ITSnass
[kPa]
1.414
1.663
1.575
1.585
1068
1.135
1.250
1.473
1.080
913
1.001
1.156
1.553
1.509
1.111
1.276
1.064
1.001
1.234
1.343
1.310
836
893
507
1.116
ITSR
[%]
97
101
100
98
115
100
104
125
91
128
104
109
110
99
81
85
92
94
102
95
106
81
94
57
95
Mit dem dynamischen Spaltzug-Schwellversuch wurde das Ermüdungsverhalten bei
mittlerer Belastung untersucht und die Ermüdungslastwechselzahl (Nmakro) bei mittlerer
Belastung bei einer Temperatur von 15 °C vor und nach Wasserlagerung bestimmt.
Dabei wurde die gleiche Mischgutzusammensetzung gewählt wie bei den statischen
Versuchen. Die Ergebnisse sowie der Verhältniswert von Nass zu Trocken sind in Tab.
5-11 zusammengefasst.
5 Versuchsergebnisse
45
Tab. 5-11: Ergebnisse der dynamischen Spaltzug-Schwellversuche bei T = 15 °C bei mittlerer Belastung mit Basalt und Rhyolith
Gestein Bitumen
Rhyolith
Basalt
2.1 20/30
2.2 20/30
1.4 20/30
2.R1 30/45
1.2 30/45
6.R1 30/45
1.1 50/70
1.2 50/70
2.1 50/70
2.2 50/70
2.1 70/100
5.1 70/100
7.4 70/100
2.1 20/30
2.2 20/30
1.4 20/30
1.2 30/45
6.R1 30/45
1.1 50/70
1.2 50/70
2.1 50/70
2.2 50/70
2.1 70/100
5.1 70/100
7.4 70/100
Nmakro Nass
[-]
Nmakro Trocken
[-]
3.718
3.386
6.789
3.553
2.557
9.031
1.560
1.893
2.556
4.051
2.557
1.560
814
4.880
6.292
5.213
3.718
5.378
5.212
2.307
1.867
3.553
3.386
2.058
1.727
2.058
4.715
3.220
4.549
5.047
6.209
2.224
2.887
2.723
2.557
2.390
1.394
1.063
3.718
4.548
3.884
2.724
3.387
3.054
1.809
966
1.516
1.394
2.310
2.059
Verhältnis Nmakro Nass/
Nmakro Trocken
[%]
181
72
211
78
51
145
70
66
94
158
107
112
77
131
138
134
137
159
171
128
193
234
243
89
84
5 Versuchsergebnisse
46
5.3.4 Kontaktwinkelmessungen
In Tab. 5-12 sind die Ergebnisse der Oberflächenspannung der Gesteine, die mit der
Methode des „liegenden Tropfens“ (sessile-drop-method) bestimmt wurden, zusammengefasst. Neben der Oberflächenspannung wurden die dispersen und polaren Anteile bestimmt. Beim Diabas war eine Bestimmung der Oberflächenspannung nicht
möglich.
Tab. 5-12: Ergebnisse der Kontaktwinkelmessungen der Gesteine
Basalt
Einheit
Oberflächenspannung
Disperse Anteile
[mN/m]
Polare Anteile
Einzelergebnisse
Mittelwert
Median
62,49
48,66
58,51
55,38
45,91
54,19
55,38
39,50
29,99
35,36
37,16
29,35
34,27
35,36
22,99
18,67
23,16
18,22
16,57
19,92
18,67
Grauwacke
Oberflächenspannung
Disperse Anteile
[mN/m]
Polare Anteile
54,00
54,16
48,08
55,27
51,76
52,65
54,16
38,93
34,56
36,70
40,11
39,19
37,90
38,93
15,07
19,60
11,38
15,16
12,57
14,76
15,07
Rhyolith
Oberflächenspannung
Disperse Anteile
[mN/m]
Polare Anteile
56,42
64,00
55,38
62,40
64,90
60,62
62,40
38,61
41,68
37,16
41,75
41,75
40,19
41,68
17,81
22,32
18,22
20,65
23,15
20,43
20,65
Für die Auswertung wird der Median herangezogen, da beim Mittelwert Ausreißer zu
stark berücksichtigt werden.
Die Ergebnisse der Oberflächenspannung der ausgewählten Bitumen sind Tab. 5-13
zu entnehmen. Hier wurde die Methode des „hängenden Tropfens“ (pendant-drop-method) verwendet.
Tab. 5-13: Ergebnisse der Kontaktwinkelmessungen der Bitumen
Oberflächenspannung
[mN/m]
Einzelwerte
Bitumen
Mittelwert
1.2 20/30
30,27
30,34
30,36
30,31
30,32
30,32
2.1 20/30
30,44
30,40
30,34
30,50
30,44
30,42
2.R1 30/45
30,51
30,48
30,55
30,61
30,45
30,52
6.R1 30/45
30,11
30,18
30,26
30,21
30,22
30,20
1.1 50/70
30,54
30,56
30,54
30,57
30,57
30,56
1.2 50/70
31,07
31,12
31,08
31,11
31,07
31,09
2.1 50/70
31,43
31,40
31,36
31,44
31,42
31,41
2.2 50/70
30,89
30,96
30,98
31,00
30,97
30,96
5.1 70/100
31,56
31,59
31,88
31,67
31,63
31,67
7.1 70/100
31,55
31,50
31,56
31,57
31,57
31,55
1.2 160/220
32,38
32,27
32,27
32,25
32,15
32,26
2.1 160/220
31,84
31,90
31,88
31,71
31,73
31,81
2.2 160/220
31,87
31,86
31,80
31,85
31,85
31,85
5 Versuchsergebnisse
47
In Tab. 5-14 sind die Ergebnisse der Untersuchungen zum Spreitverhalten der ausgewählten Bitumen bei Basalt und Rhyolith. Dabei wurde die Zeitspanne bestimmt, in der
sich der Kontaktwinkel von 60° auf 30° verringert.
Tab. 5-14: Spreitverhalten der ausgewählten Bitumen bei Basalt und Rhyolith
Gestein
Basalt
Grauwacke
Rhyolith
Bitumen
1.1 50/70
1.2 50/70
2.1 50/70
2.2 50/70
5.1 70/100
7.1 70/100
1.2 160/220
2.1 160/220
2.2 160/220
1.1 50/70
1.2 50/70
2.1 50/70
2.2 50/70
5.1 70/100
7.1 70/100
1.2 160/220
2.1 160/220
2.2 160/220
1.1 50/70
1.2 50/70
2.1 50/70
2.2 50/70
5.1 70/100
7.1 70/100
1.2 160/220
2.1 160/220
2.2 160/220
Zeit für die Verringerung des Winkels
von 60° auf 30°
[s]
52
49
85
54
62
90
59
98
84
58
62
51
80
34
72
60
96
86
54
63
63
62
107
76
46
81
58
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
48
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
6.1
Bitumen
6.1.1 Zusammenhänge zwischen den physikalischen Kennwerten
Die rheologischen Untersuchungen mittels DSR zeigen eine deutliche Abhängigkeit
des komplexen Schermoduls und des Phasenwinkels von der Temperatur und der Bitumensorte (siehe Bild 5-5 und Bild 5-6). Bei einer Erwärmung ist bei allen Straßenbaubitumen eine ähnlich ausgeprägte, stetig abnehmende Steifigkeit und Elastizität
festzustellen. Bitumen weicherer Sorten weisen einen klaren Trend zu niedrigeren
Schermoduln und höheren Phasenwinkeln auf als Bitumen härterer Sorten. Die Streuungen der Messwerte von Bitumen gleicher Sorte sind vor allem bei dem Phasenwinkel groß. So weisen beispielsweise einige Bitumen 70/100 trotz deutlich höherer komplexer Schermoduln im mittleren Temperaturbereich höhere Phasenwinkel als der
Durchschnitt der Bitumen 160/220 auf.
Neben den rheologischen Untersuchungen mit dem DSR, deren minimale Messtemperatur -10 °C betrug, wurden gezielte Analysen zum Kälteverhalten durch die Bestimmung des Brechpunktes nach Fraaß sowie der Biegekriechsteifigkeit und des m-Wertes durchgeführt. Die Bestimmung der beiden letztgenannten Parameter mittels BBR
erfolgte bei -16 °C.
Zwischen den beiden Kennwerten der BBR-Messung besteht bei den untersuchten,
nicht modifizierten Straßenbaubitumen ein direkter Zusammenhang: mit zunehmendem m-Wert nimmt die Biegekriechsteifigkeit in logarithmischem Maßstab ab (Bild
5-4). Die entsprechend [DIN EN 14771, 2012] ermittelten Messwerte nach einer Belastungsdauer von 60 s korrelieren mit einem Bestimmtheitsmaß von 0,9467. Somit
nimmt bei Straßenbaubitumen das Relaxationsvermögen mit zunehmender Steifigkeit
proportional ab.
Die mittels BBR bestimmten rheologischen Kennwerte stimmen mit hoher Präzision
mit den bei niedrigen Temperaturen im DSR gemessenen Kennwerten überein. Das
Bestimmtheitsmaß für den Zusammenhang zwischen der Biegekriechsteifigkeit
bei -16 °C (BBR) und dem komplexen Schermodul bei 0 bzw. -10 °C (DSR) ist mit 0,94
bzw. 0,91 sehr hoch (Bild 6-1), da die in Beziehung gesetzten Größen zwar prüftechnische Unterschiede aufweisen, aber jeweils Kennwerte für die Steifigkeit darstellen.
Die Bestimmtheitsmaße zwischen dem m-Wert bei -16 °C (BBR) und dem Phasenwinkel bei 0 bzw. -10 °C (DSR) sind mit 0,94 bzw. 0,92 ebenfalls sehr hoch (Bild 6-2). Ein
hohes Relaxationsvermögen wird folglich im BBR durch einen langsamen Abbau der
Biegekriechsteifigkeit (niedriger m-Wert) und im DSR durch einen geringen viskosen
Verformungsanteil (niedriger Phasenwinkel) gekennzeichnet. Straßenbaubitumen mit
einem geringen Relaxationsvermögen bauen die Spannungen unter statischer Belastung (BBR) dagegen nur langsam ab und verhalten sich bei dynamischer Belastung
(DSR) weitestgehend elastisch.
Kompl. Schermodul bei 0 bzw. -10 C [MPa]
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
49
400
350
300
250
200
0 °C
- 10 °C
20/30
20/30
30/45
30/45
50/70
50/70
70/700
70/100
160/220
160/220
R² = 0,9086
R² = 0,9391
150
100
50
0
0
200
300
400
500
600
700
Biegekriechsteifigkeit bei -16 C [MPa]
Bild 6-1:
Phasenwinkel bei 0 bzw. -10 C [ ]
100
Komplexer Schermodul bei 0 bzw. -10 °C in Abhängigkeit von der Biegekriechsteifigkeit bei -16 °C
60
50
40
30
0 °C
- 10 °C
20/30
20/30
30/45
30/45
50/70
50/70
70/700
70/100
160/220
160/220
R² = 0,9375
20
R² = 0,9239
10
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
m-Wert bei -16 C [-]
Bild 6-2:
Phasenwinkel bei 0 bzw. -10 °C in Abhängigkeit von dem m-Wert bei -16 °C
Während die Bewertung des Kälteverhaltens von Straßenbaubitumen mittels BBR und
DSR nahezu identisch ausfällt, bestehen zur klassischen Charakterisierung durch den
Brechpunkt nach Fraaß deutliche Unterschiede. Dabei wird die generelle Tendenz,
dass weichere Bitumensorten ein besseres Kälteverhalten aufweisen als härtere, zwar
auch anhand des Brechpunktes bestätigt (mit steigendem Brechpunkt nimmt die Biegekriechsteifigkeit zu und der m-Wert ab, siehe Bild 6-3). Mit Bestimmtheitsmaßen von
0,63 zwischen dem Brechpunkt und der Biegekriechsteifigkeit bei -16 °C bzw. 0,62
zwischen dem Brechpunkt und dem m-Wert bei -16 °C liefern die unterschiedlichen
Untersuchungsmethoden jedoch im Detail deutlich abweichende Ergebnisse. Dass
diese unterschiedliche Beurteilung nicht primär durch die abweichenden Temperaturen verursacht wird, geht aus der rechnerischen Bestimmung der komplexen Schermoduln bei der Temperatur des Brechpunktes hervor. Die aus den komplexen Schermoduln bei 0 und -10 °C inter- bzw. extrapolierten Steifigkeiten bei der Temperatur des
Brechpunktes weisen bei einem Mittelwert von 245 MPa eine Standardabweichung
von 109 MPa auf.
50
700
0,600
R² = 0,6202
600
0,500
500
0,400
400
0,300
300
m-Wert
30/45
70/700
S
30/45
70/100
200
100
R² = 0,6321
0
-25
-20
0,200
20/30
50/70
160/220
20/30
50/70
160/220
0,100
m-Wert bei -16 C [-]
Biegekriechsteifigkeit bei -16 C [MPa]
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
0,000
-15
-10
-5
0
Brechpunkt nach Fraaß [ C]
Bild 6-3:
Biegekriechsteifigkeit und m-Wert jeweils bei -16 °C in Abhängigkeit vom Brechpunkt nach Fraaß
Im Gebrauchstemperaturbereich wurden an den Bitumen die Nadelpenetration, die
Kraftduktilität sowie der komplexe Schermodul und der Phasenwinkel bestimmt. Die
Ergebnisse der DSR-Untersuchungen, die bei 20 und 30 °C durchgeführt wurden, wurden auf die Temperatur der Nadelpenetration (25 °C) interpoliert. Die Phasenwinkel
wurden hierzu linear und die komplexen Schermoduln aufgrund deren exponentieller
Abhängigkeit von der Temperatur logarithmisch interpoliert. Da die Kraftduktilität entsprechend der Bitumenhärte bei unterschiedlichen Temperaturen durchgeführt wurde,
werden die Ergebnisse ausschließlich zur Charakterisierung der Polymermodifizierungen in Kapitel 6.1.2 berücksichtigt.
Die Eindringtiefe ist ebenso wie der komplexe Schermodul ein Maß für die Bitumensteifigkeit. Bei einer Gegenüberstellung dieser Kennwerte im logarithmischen Maßstab
besteht mit einem Bestimmtheitsmaß von 0,93 von kleineren Abweichungen abgesehen ein präziser Zusammenhang (Bild 6-4). Im Vergleich zu der Nadelpenetration ist
jedoch bei sehr harten Bitumen, deren Eindringtiefen nur geringfügige Unterschiede
aufweisen, anhand des komplexen Schermoduls eine bessere Differenzierung möglich. Zwischen dem Phasenwinkel und der Nadelpenetration besteht mit einem Bestimmtheitsmaß von 0,81 eine schwächere Korrelation, die prinzipiell darauf beruht,
dass Straßenbaubitumen mit zunehmender Steifigkeit höhere elastische Verformungsanteile aufweisen. Vor allem bei modifizierten Bitumen liefert der Phasenwinkel jedoch
Informationen über die Bitumeneigenschaften im Gebrauchstemperaturbereich, die
durch die Nadelpenetration nicht analysiert werden.
51
10.000
90
9.000
80
R² = 0,8075
8.000
70
7.000
60
6.000
Kompl. Schermodul
20/30
30/45
50/70
5.000
70/100
160/220
4.000
Phasenwinkel
20/30
30/45
50/70
70/700
160/220
3.000
50
40
30
20
2.000
10
R² = 0,9332
1.000
0
Phasenwinkel bei 25 C [ ]
Kompl. Schermodul bei 25 C [kPa]
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
Nadelpenetration bei 25 C [1/10 mm]
Bild 6-4:
Korrelation zwischen Nadelpenetration und dem komplexen Schermodul bzw. dem Phasenwinkel jeweils bei 25 °C
Oberhalb des Gebrauchstemperaturbereichs wurden die Erweichungspunkte Ring und
Kugel und, mittels DSR, die rheologischen Größen komplexer Schermodul und Phasenwinkel bestimmt. Die Straßenbaubitumen weisen im Temperaturbereich des Erweichungspunktes Ring und Kugel mit Phasenwinkeln von etwa 80 ° vorwiegend viskose
und nur noch geringe elastische Verformungsanteile auf. Den daraus folgenden unmittelbaren Zusammenhang zwischen dem Erweichungspunkt Ring und Kugel und der
Bitumensteifigkeit verdeutlicht Bild 6-5: die durch logarithmische Interpolation berechneten komplexen Schermoduln der untersuchten Straßenbaubitumen stimmen bei der
Temperatur des jeweiligen Erweichungspunktes Ring und Kugel weitestgehend überein. Die vorhandene Streuung um den Mittelwert von 14,85 kPa ist angesichts der
Tatsache, dass die komplexen Schermoduln in exponentiellen Zusammenhang zu der
Temperatur stehen, sehr gering. Lediglich ein leichter Rückgang der komplexen Schermoduln mit abnehmender Bitumenhärte ist festzustellen.
Kompl. Schermodul bei T = EPRuK [kPa]
40
20/30
35
30/45
50/70
30
70/100
160/220
25
20
15
10
5
0
Bild 6-5:
Komplexe Schermoduln bei der Temperatur des Erweichungspunktes Ring und Kugel
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
52
Äquiviskositätstemperatur EG*(15 kPa)T [ C]
Das Bild 6-6 veranschaulicht die deutlichen Zusammenhänge zwischen dem Erweichungspunkt Ring und Kugel und dem komplexen Schermodul im gleichen Temperaturbereich. Die Gegenüberstellung des Erweichungspunktes Ring und Kugel und der
Temperatur, bei der der komplexe Schermodul den Wert 15 kPa aufweist (vergleichbar
mit einer Äquiviskositätstemperatur) führt bei den untersuchten Straßenbaubitumen zu
einem Bestimmtheitsmaß von 0,94. Im Mittel weichen die beiden ermittelten Temperaturen bei den untersuchten Straßenbaubitumen lediglich um 1,3 °C voneinander ab,
während unterschiedliche Modifizierungen zu charakteristischen Abweichungen führen können (siehe Kapitel 6.1.2).
70
20/30
R² = 0,943
30/45
60
50/70
70/100
50
160/220
PmB
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Erweichungspunkt Ring und Kugel [ C]
Bild 6-6:
Korrelation zwischen Erweichungspunkt Ring und Kugel und der Äquiviskositätstemperatur (= Temperatur, bei der der komplexe Schermodul 15 kPa beträgt)
Generell ist die Bewertung der einzelnen Straßenbaubitumen über alle Temperaturbereiche konstant. Dies verdeutlicht die ungewöhnliche Gegenüberstellung der etwa bei
Verarbeitungstemperatur gemessenen komplexen Viskosität, die bei reinviskosem
Straßenbaubitumen (je nach Bitumenhärte etwa ab einer Temperatur von 60 °C) betragsmäßig der dynamischen Viskosität entspricht, mit dem Gebrauchstemperaturund dem Kälteverhalten. Die Zusammenhänge zwischen der komplexen Viskosität bei
120 °C und dem komplexen Schermodul bei 25 °C bzw. der Biegekriechsteifigkeit bei
-16 °C zeigen mit Bestimmtheitsmaßen von 0,85 bzw. 0,66 direkte Zusammenhänge
zwischen den Steifigkeiten bei den unterschiedlichen Temperaturen auf (Bild 6-7). Mit
Plastizitätsspannen von 56,1 bis 73,3 °C bestehen zwischen den Bitumen jedoch deutliche Differenzen bezüglich der Temperaturabhängigkeit (Bild 6-8). Mit durchschnittlich
58,9 °C weisen hierbei die weichen Bitumen 160/220 deutlich geringere Plastizitätsspannen auf als die mittelharten 50/70 (im Mittel 61,6 °C) oder gar die harten 20/30
mit gemittelten 64,7 °C, da offensichtlich der versteifende Einfluss auf den Erweichungspunkt Ring und Kugel stärker ist als der versprödende Einfluss auf den Brechpunkt nach Fraaß.
10.000
Steifigkeit bei -16 °C
30/45
70/100
Steifigkeit bei 25 °C
30/45
70/700
600
500
20/30
50/70
160/220
20/30
50/70
160/220
9.000
8.000
R² = 0,6566
7.000
400
6.000
5.000
300
4.000
R² = 0,8521
200
3.000
2.000
100
1.000
0
0
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
Komplexe Viskosität bei 120 C [Pa s]
Bild 6-7:
Abhängigkeit zwischen der komplexen Viskosität bei 120 °C und der Biegekriechsteifigkeit bei -16 °C
bzw. dem komplexen Schermodul bei 25 °C
70
70
20/30
30/45
60
50/70
60
70/100
50
160/220
50
40
40
30
30
20
20
10
10
0
0
-10
-10
-20
-20
-30
-30
Bild 6-8:
Brechpunkt nach
Fraaß [ C]
Erweichungspunkt Ring und Kugel [ C]
53
Kompl. Schermodul bei 25 C [kPa]
Biegekriechsteifigkeit bei -16 C [MPa]
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
Plastizitätsspanne (Erweichungspunkt und Brechpunkt nach Fraaß) der untersuchten Straßenbaubitumen
6.1.2 Einfluss der verwendeten Polymere auf die Eigenschaften der untersuchten Bitumen
Das Bitumen 2.1 50/70, dass aufgrund des hohen Anteils an Aromaten und dem damit
verbundenen niedrigen GAESTEL-Index zur Modifizierung mit Polymeren theoretisch
gut geeignet ist (siehe Kapitel 3.1.3), wies bei der gewählten geringen Dosierung der
Polymere augenscheinlich keine relevanten Probleme bei der Modifizierung auf. Da
die einzelnen Messungen zudem nur geringe Streuungen aufwiesen, liegen offensichtlich homogene Mischungen vor.
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
54
Das spröde Verhalten des Bitumen 2.1 50/70 führte im Kraftduktilitätsversuch bei niedrigen Temperaturen bereits bei relativ geringen Dehnungen zum Reißen des Bitumens. Erst bei einer Prüftemperatur von 15 °C war ein ausreichend duktiles Verhalten vorhanden, so dass eine aussagekräftige Auswertung der Kraft-Dehnungs-Kurve
(Bild 6-9) möglich war. Die modifizierten Bitumen wurden zu Vergleichszwecken ebenfalls bei 15 °C untersucht. Eine quantitative Bewertung der Formänderungsarbeit, die
nach den [TL Bitumen-StB, 2013] bei Polymermodifizierten Bitumen dieser Härte bei
5 °C anzugeben ist, ist folglich nicht möglich. Qualitativ sind aus den Funktionsverläufen in Bild 6-9 jedoch charakteristische Unterschiede abzulesen.
Das Plastomer A bewirkt eine Versteifung des Bitumens, wodurch das Kraftmaximum
im Bereich geringer Dehnungen um 115 % ansteigt. Nach Überschreiten des Kraftmaximums lässt die Wirkung der Polymere jedoch kontinuierlich nach. Die Plastomere B
und C, deren Kraft-Dehnungs-Kurven nahezu identisch verlaufen, versteifen das Bitumen bei geringen Dehnungen nur leicht. Im Gegensatz zu Plastomer A bilden die beiden anderen Plastomere bei zunehmender Dehnung jedoch offensichtlich ein stabiles
Netzwerk aus. Hierdurch nimmt die zur Verformung notwendige Kraft trotz zunehmender Streckung und damit verbundenem abnehmendem Bitumenquerschnitt nur geringfügig ab.
Die beiden Elastomere A und C wirken identisch auf das Bitumen: sie versteifen das
Bitumen mit einem Anstieg des Kraftmaximums um etwa 135 % deutlich und bilden
offensichtlich ein Netzwerk aus, durch das die zur Deformation notwendige Kraft zwischen der Deformation von 200 bis 400 mm nur geringfügig abnimmt. Trotz identischer
Zugabemenge wirkt das Elastomer B stärker als die beiden anderen Elastomere: das
Kraftmaximum ist um knapp 20 % höher und die Kraft nimmt nach Überschreiten eines
Minimums bei einer Dehnung von 225 mm vergleichbar mit dem Verhalten höhermodifizierter Bitumen wieder zu.
40
2.1 50/ 70
35
2.1 50/70 + Elastomer A
2.1 50/70 + Elastomer B
30
Kraft [N]
2.1 50/70 + Elastomer C
2.1 50/70 + Plastomer A
25
2.1 50/70 + Plastomer B
2.1 50/70 + Plastomer C
20
15
10
5
0
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
Dehnung [mm]
Bild 6-9:
Kraftduktilitätsverlauf bei 15 °C des 2.1 50/70 vor bzw. nach der Modifizierung mit den Elastomeren
bzw. Plastomeren
Die Untersuchungen mit dem DSR zeigen die für Polymermodifizierte Bitumen typische Reduzierung der Temperaturabhängigkeit (Bild 6-10). Die komplexen Schermo-
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
55
duln des Basisbitumens so wie der sechs unterschiedlichen Polymermodifizierten Bitumen weisen bei Temperaturen unterhalb von 10 °C nur geringe Differenzen auf. Ab
einer Temperatur von 10 °C ist eine signifikante Versteifung durch die drei Elastomere
und das Plastomer A festzustellen, was die Auswertung der Kraftmaxima bei 15 °C
bestätigt. Mit zunehmender Erwärmung nimmt die versteifende Wirkung der Polymere
bis zu einer Temperatur von 70 °C kontinuierlich zu. Ab dieser Temperatur bewirken
die Elastomere A und C sowie das Plastomer A eine konstante Erhöhung des komplexen Schermoduls von etwa 100 % (Elastomer A), 140 % (Elastomer C) bzw. 70 %
(Plastomer A) bezogen auf die komplexen Schermoduln des nicht modifizierten Bitumens bei jeweils identischer Temperatur. Die versteifende Wirkung des Elastomers
B steigt vor allem oberhalb von 70 °C bei zunehmender Erwärmung überproportional
an, sodass der gemessene komplexe Schermodul bei 150 °C den des Basisbitumens
um den Faktor 12 übersteigt. Dieses Materialverhalten wird vermutlich durch eine extrem starke Netzwerkbildung der Polymere verursacht, wodurch selbst bei 150 °C kein
idealviskoses Fließen des Polymermodifizierten Bitumens auftritt. Im Gegensatz dazu
verhalten sich die übrigen Polymermodifizierten Bitumen bereits bei 100 °C wie
Newtonsche Fluide.
Die Plastomere B und C zeigen bis zu einer Temperatur von 50 °C praktisch keine
versteifende Wirkung auf das Bitumen (vgl. geringen Einfluss auf die Kraftmaxima bei
15 °C). Erst bei einer weiteren Erwärmung ist eine Erhöhung der komplexen Schermoduln festzustellen. Ab einer Temperatur von 100 °C bewirkt das Plastomer B eine konstante Erhöhung des komplexen Schermoduls um etwa 80 % und das Plastomer C um
etwa 50 % gegenüber dem nicht modifizierten Bitumen.
1,E+09
2.1 50/70
2.1 50/70 + Elastomer A
1,E+08
2.1 50/70 + Elastomer B
2.1 50/70 + Elastomer C
2.1 50/70 + Plastomer A
1,E+07
Kompl. Schermodul [Pa]
2.1 50/70 + Plastomer B
2.1 50/70 + Plastomer C
1,E+06
1,E+05
1,E+04
1,E+03
1,E+02
1,E+01
1,E+00
-20
0
20
40
60
80
100
120
140
160
Temperatur [ C]
Bild 6-10:
Komplexe Schermoduln in Abhängigkeit von der Temperatur des Bitumen 2.1 50/70 vor bzw. nach der
Modifizierung mit den Elastomeren bzw. Plastomeren
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
56
Die klassischen Kennwerte Nadelpenetration und Erweichungspunkt Ring und Kugel
bestätigen die anhand des temperaturabhängigen komplexen Schermoduls und der
Kraftduktilität beschriebenen Einflüsse der Polymere. Während die Plastomere B und
C die bei 25 °C gemessene Nadeleindringtiefe lediglich um etwa 3 1/10 mm reduzieren, bewirken die übrigen Polymere mit Rückgängen von 9 bis 12 1/10 mm eine deutliche Versteifung. Der Erweichungspunkt Ring und Kugel wird dagegen durch alle Polymere deutlich erhöht. Im Fall der Plastomere beträgt der Anstieg im Mittel 5,8 °C,
während der Erweichungspunkt Ring und Kugel durch den Einsatz der Elastomere um
durchschnittlich 8,6 °C steigt. Den mit einem Anstieg von 9,8 °C größten Einfluss hat
auch hier das Elastomer B, das auch den größten Einfluss auf die Kraftduktilität und
den komplexen Schermodul zeigte.
Der Anstieg des Erweichungspunktes Ring und Kugel ist bei allen Polymeren stärker
als der Anstieg des komplexen Schermoduls. Die in Kapitel 6.1.1 definierte Äquiviskositätstemperatur, bei der der komplexe Schermodul den Wert 15 kPa aufweist, weicht
hierdurch signifikant von der Temperatur des Erweichungspunktes Ring und Kugel ab
(siehe Bild 6-7).
1,E+09
Kompl. Schermodul [Pa]
1,E+08
1,E+07
1,E+06
1,E+05
1,E+04
2.1 50/70
1,E+03
2.1 50/70 + Elastomer A
2.1 50/70 + Elastomer B
1,E+02
2.1 50/70 + Elastomer C
1,E+01
2.1 50/70 + Plastomer A
2.1 50/70 + Plastomer B
1,E+00
2.1 50/70 + Plastomer C
1,E-01
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Phasenwinkel [ ]
Bild 6-11:
Black-Diagramm des Bitumen 2.1 50/70 vor bzw. nach der Modifizierung mit den Elastomeren bzw.
Plastomeren
Im Black-Diagramm (Bild 6-11) wird unter Einbeziehung des Phasenwinkels die grundsätzlich typische, mit Ausnahme des Elastomers B jedoch relativ gering ausgeprägte
Wirkung der Polymere deutlich. Das Plastomer A bewirkt die geringste auf den komplexen Schermodul bezogene Reduzierung des Phasenwinkels, die zwischen 100 Pa
und 1 MPa bzw. zwischen 40 und 90 ° konstant verläuft. Die Wirkung der Plastomere
B und C ist im Black-Diagramm lediglich im Bereich der Phasenwinkel von 70 bis 90 °
festzustellen. In diesem Bereich ist die Reduzierung des steifigkeitsabhängigen Phasenwinkels jedoch deutlich ausgeprägter als bei dem Plastomer A.
Die Wirkung der Elastomere A und C zeigt sich bei der Darstellung im Black-Diagramm
vor allem bei Phasenwinkeln von 60 bis 80 °. In diesem Bereich sind die komplexen
Schermoduln trotz identischem Phasenwinkel deutlich geringer, während der übrige
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
57
Funktionsverlauf etwa dem des mit dem Plastomer A modifizierten Bitumens entspricht. Die Wirkung des Elastomers B tritt bei komplexen Schermoduln < 1 kPa sehr
deutlich auf. Da das modifizierte Bitumen in diesem Fall selbst bei hohen Temperaturen und den damit verbundenen relativ geringen komplexen Schermoduln kein viskoses Fließen, sondern stark ausgeprägtes elastisches Verhalten aufweist, werden
selbst geringen komplexen Schermoduln deutlich unter 1 kPa noch Phasenwinkel unter 70 ° zugeordnet.
Da keines der verwendeten Polymere die Kälteeigenschaften nachteilig beeinflusst
und die Plastomere geringfügig und die Elastomere stärker die Verformungsbeständigkeit bei hohen Temperaturen verbessern, vergrößern alle Zusätze die Plastizitätsspanne des Bitumens. Zudem bilden alle Polymere offensichtlich Netzwerke im Bitumen aus, die im Fall des Plastomers A schwach, im Fall des Elastomers B sehr stark
und bei den übrigen Zusätzen mittelstark ausgeprägt sind.
6.1.3 Zusammenhänge zwischen den physikalischen Eigenschaften und der chemischen Zusammensetzung der untersuchten Straßenbaubitumen
Der statistische Vergleich der chemischen Zusammensetzung in Bild 5-8 zeigt bezüglich der Aliphaten, Aromaten und polaren Verbindungen keine charakteristischen Unterschiede zwischen den verschiedenen Bitumensorten. Die Streuungen innerhalb der
Gruppen gleicher Bitumensorte weisen wesentlich größere Differenzen auf als die Mittelwerte der unterschiedlichen Bitumensorten. Aus der SARA-Analyse und dem Asphaltenstatus nach ZENKE gehen dennoch charakteristische Unterschiede zwischen
harten und weichen Bitumensorten hervor. So veranschaulicht das Dreistoffdiagramm
in Bild 6-12 beispielhaft, dass die weichen Bitumen 160/220 im Allgemeinen einen
niedrigeren Anteil an Aliphaten und Asphaltenen haben als die harten Bitumen 20/30.
Der Anteil der Aromaten ist im Gegenzug bei den Bitumen 160/220 tendenziell höher,
während die polaren Verbindungen der unterschiedlichen Bitumensorten keinen charakteristischen Unterschied aufweisen. Die deutlichen Unterschiede in der Gruppe der
Aliphaten und Asphaltene beruht auf dem wesentlich höheren Asphaltengehalt der
härteren Bitumensorten: der gemittelte Asphaltengehalt beträgt im Fall der Bitumen
20/30 22,2 M.-% und im Fall der Bitumen 160/220 14,1 M.-%, während der Anteil der
Aliphaten mit 9,1 M.-% bei den harten Bitumen 20/30 im Mittel sogar höher ausfällt als
bei den weichen Bitumen 160/220 mit 11,0 M.-%. Die aufgrund der Übersichtlichkeit in
Bild 6-12 nicht dargestellten Bitumensorten weisen mit abnehmender Härte einen stetig abnehmenden Asphaltengehalt auf: im Mittel beträgt der Asphaltengehalt bei dem
Bitumen 30/45 21,7 M.-%, bei dem Bitumen 50/70 18,7 M.-% und bei dem Bitumen
70/100 16,8 M.-%.
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
58
Raffinerie 1 (20/30)
Raffinerie 2 (20/30)
Raffinerie 5 (20/30)
Raffinerie 6 (20/30)
Raffinerie 1 (160/220)
Raffinerie 2 (160/220)
Raffinerie 3 (160/220)
Raffinerie 4 (160/220)
Raffinerie 6 (160/220)
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Aliphaten + Asphaltene [M.-%]
Bild 6-12:
Dreistoffdiagramm zur Unterscheidung in Aromaten, polare Verbindungen und der Summe aus Aliphaten und Asphaltenen der Bitumen 20/30 bzw. 160/220
Bild 6-13:
Dreistoffdiagramm zur Unterscheidung in leicht-, mittel- und schwerlösliche Asphaltene der Bitumen
20/30 bzw. 160/220 (* das auffällige Ergebnis wurde durch eine Überprüfung bestätigt)
In der Gruppe der Asphaltene ist ebenfalls ein charakteristischer Trend festzustellen:
harte Bitumensorten weisen im Mittel einen höheren Anteil schwerlöslicher Asphaltene
und dafür einen geringeren Anteil mittel- und leichtlöslicher Asphaltene auf als weiche
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
59
Bitumensorten. Bei einem Vergleich der Bitumensorten 20/30 und 160/220 gemäß
Bild 6-13 beträgt der durchschnittliche Anteil schwerlöslicher Asphaltene an der gesamten Gruppe der Asphaltene bei dem härteren Bitumen 20/30 37,5 M.-% und bei
dem weicheren 160/220 18,8 M.-%. Die aus Gründen der Übersichtlichkeit in Bild 6-13
nicht abgebildeten Bitumen bestätigen den beschriebenen Trend grundsätzlich: durchschnittlich beträgt der Anteil schwer löslicher Asphaltene bei den Bitumen 30/45
31,6 M.-%, bei den Bitumen 50/70 26,3 M.-% und bei den Bitumen 70/100 18,8 M.-%.
Die Siedeanalyseweist sehr deutliche Unterschiede zwischen den einzelnen Straßenbaubitumen auf (siehe Bild 5-9). Diese Unterschiede sind jedoch weitestgehend unabhängig von der Bitumensorte und damit von der Bitumensteifigkeit. Aus den für jede
Bitumensorte gemittelten Siedetemperaturen sind keine eindeutigen Rückschlüsse auf
die Bitumenhärte zu ziehen (Bild 6-14). Im Mittel weisen die Bitumen 20/30, 50/70 und
70/100 das gleiche Siedeverhalten auf. Die Bitumen 30/45 und 160/220 weisen dagegen einen größeren Anteil an Molekülen auf, die bereits bei niedrigerer Temperatur
sieden. Folglich kann ein Trend zu einem schnelleren Sieden bei niedrigeren Temperaturen mit abnehmender Bitumenhärte nicht festgestellt werden.
100
20/30
90
30/45
Siedeanteil [M.-%]
80
50/70
70/100
70
160/220
60
50
40
30
20
10
0
15
20
25
30
35
40
45
Zeit [min]
Bild 6-14:
Siedeanalyse, jeweils dargestellt sind die Mittelwerte der Bitumensorten
Neben den zuvor geschilderten generellen Zusammenhängen zwischen der chemischen Zusammensetzung und der Bitumensorte bzw. der damit verbundenen Bitumenhärte bestehen bei den untersuchten Straßenbaubitumen direkte Zusammenhänge zwischen den einzelnen physikalischen Kennwerten und der chemischen Zusammensetzung. Vor allem die Ergebnisse der SARA-Analyse liefern Aufschlüsse
über die physikalischen Eigenschaften der Bitumen. Mittels multipler linearer Regression können auf Basis der 90 untersuchten Bitumen die physikalischen Kennwerte
durch die Anteile der Aliphaten, Aromaten, polaren Verbindungen und Asphaltene mit
unterschiedlichen Präzisionen berechnet werden. Die nach den folgenden Gleichungen 6-1 bis 6-6 berechneten Kennwerte zur Charakterisierung des Kälteverhaltens
weisen ebenso wie die Nadelpenetration relativ große Abweichungen zu den Messwerten auf. Die Bestimmtheitsmaße für die Korrelation zwischen den berechneten und
den gemessenen Größen betragen lediglich 0,34 (Biegekriechsteifigkeit), 0,43 (m-
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
60
Wert), 0,42 (Brechpunkt nach Fraaß) bzw. 0,44 (Nadelpenetration). Bei Erhöhung der
Temperatur nimmt die Präzision bei der Bestimmung der physikalischen Eigenschaften aufgrund der chemischen Zusammensetzung zu. So betragen die Bestimmtheitsmaße zwischen den berechneten und den gemessenen Erweichungspunkten bzw.
komplexen Viskositäten bei 120 °C 0,62 bzw. 0,67.
S = 816,5 - 13,6 × Al - 10,0 × Ar - 8,4 × P + 11,8 × As
(Gl. 6-1)
R2 = 0,34
m = -0,062 + 0,012 × Al + 0,006 × Ar + 0,007 × P - 0,006 × As
(Gl. 6-2)
R2 = 0,43
BP = 35,8 - 0,85 × Al - 0,67 × Ar - 0,60 × P + 0,36 × As
(Gl. 6-3)
R2 = 0,42
PEN = 150,3 + 2,51 × Al + 0,26 × Ar + 0,97 × P - 7,97 × As
(Gl. 6-4)
R2 = 0,44
EP RuK = 74,1 - 0,48 × Al - 0,53 × Ar - 0,53 × P + 1,00 × As
(Gl. 6-5)
R2 = 0,62
logη*
(Gl. 6-6)
R2 = 0,67
mit:
(120 C)
= 2,914 - 0,044 × Al - 0,039 × Ar - 0,042 × P + 0,025 × As
S
m
BP
PEN
ER RuK
logη*(120 °C)
Biegekriechsteifigkeit in [MPa]
m-Wert in [-]
Brechpunkt nach Fraaß in [°C]
Nadelpenetration bei 25 °C in [1/10 mm]
Erweichungspunkt Ring und Kugel in [°C]
Logarithmus der komplexen Viskosität bei 120 °C in [Pa s]
Al
Ar
P
As
Anteil der Aliphaten in [M.-%]
Anteil der Aromaten in [M.-%]
Anteil der polaren Verbindungen in [M.-%]
Anteil der Asphaltene in [M.-%]
Ein höherer Asphaltengehalt wirkt sich unabhängig von der Temperatur versteifend
auf das Bitumen aus (siehe Bild 6-15 bis Bild 6-18). Die Biegekriechsteifigkeit
bei -16 °C, der Erweichungspunkt Ring und Kugel und die komplexe Viskosität bei
120 °C steigen und die Nadelpenetration sinkt. Bei kalten Temperaturen geht zudem
das Relaxationsvermögen (= m-Wert) zurück und die Sprödigkeit (= Brechpunkt nach
Fraaß) steigt. Da eine Erhöhung des Asphaltengehalts eine Reduzierung des Anteils
der Maltenephase zur Folge hat, folgt aus einer Reduzierung der Maltenephase eine
Zunahme der Steifigkeit. Die einzelnen Bestandteile der Maltenephase, die Aliphaten,
Aromaten und polaren Verbindungen, unterscheiden sich hierbei nicht signifikant in
ihrem Einfluss auf die physikalischen Kennwerte.
Eine weitere Aufteilung der Aromaten in Mono-, Di- und Poly-Aromaten liefert ebenso
wie die zusätzliche Aufteilung der Asphaltene in die Gruppen der leicht-, mittel- und
schwerlöslichen Asphaltene keine nennenswerte Verbesserung der Bestimmtheitsmaße. Trotz des in Bild 6-13 dargestellten Zusammenhangs zwischen der Bitumensorte und den unterschiedlich löslichen Asphaltenen, beeinflusst die Löslichkeit der
Asphaltene die physikalischen Eigenschaften somit nicht entscheidend.
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
61
Zwischen den Ergebnissen der Siedeanalyse und den physikalischen Kennwerten besteht darüber hinaus – wie aus dem in Bild 6-14 dargestellten fehlenden Zusammenhang zwischen der Bitumensorte und dem Siedeverhalten zu erwarten – kein relevanter Zusammenhang.
Entsprechend den in Kapitel 3.1.2 beschriebenen auf [ZENKE, 1991] beruhenden Theorien ist der Asphaltengehalt folglich die maßgebende Größe für die Bitumensteifigkeit.
Daher werden im Folgenden die Zusammenhänge zwischen den chemischen Bestandteilen und den temperaturabhängigen physikalischen Kenngrößen anhand des
Asphaltengehalts der Bitumen beschrieben.
Die Zusammenhänge zwischen den physikalischen Bitumeneigenschaften bei niedrigen Temperaturen und den Asphaltengehalten der einzelnen Bitumen sind relativ
schwach. Die beste Korrelation weist der m-Wert auf. Wie in Bild 6-15 zu erkennen,
nimmt der m-Wert mit steigendem Asphaltengehalt und damit steigender Bitumensteifigkeit ab. Entsprechend der Vorstellung des Bitumens als Kolloidsystem ist bei geringerem Asphaltengehalt eine bessere Beweglichkeit der Mizellen und damit ein besseres Relaxieren des Bitumens zu erwarten. Das Bestimmtheitsmaß von nur 0,38 bestätigt jedoch, dass die Zusammenhänge zwischen den Kälteeigenschaften der Bitumen
und deren chemischer Zusammensetzung gering ist. Der ebenfalls in Bild 6-15 dargestellte Zusammenhang zwischen dem Asphaltengehalt und der Biegekriechsteifigkeit
bei -16 °C ist mit einem Bestimmtheitsmaß von 0,31 noch geringer. Der Trend zu einer
höheren Steifigkeit bei steigendem Asphaltengehalt ist prinzipiell vorhanden, mathematisch aber nicht konkret zu quantifizieren.
Ungewöhnlich ist in Bild 6-15 die überwiegende Position der Wertepaare der Bitumen
160/220.
1,000
100
Biegekr.
20/30
30/45
50/70
70/700
160/220
m-Wert
20/30
30/45
50/70
70/100
160/220
0,900
0,800
R² = 0,3107
0,700
0,600
0,500
R² = 0,3791
0,400
10
0,300
m-Wert bei -16 C [-]
Biegekriechsteifigkeit bei -16 C [MPa]
1000
0,200
0,100
1
0,000
0
5
10
15
20
25
30
Asphaltengehalt [M.-%]
Bild 6-15:
Biegekriechsteifigkeit bzw. m-Wert bei -16 °C in Abhängigkeit vom Asphaltengehalt der Bitumen
Im Gebrauchstemperaturbereich werden sowohl die Steifigkeit als auch der elastische
Verformungsanteil durch die Asphaltene beeinflusst. In der Anschauung des Bitumens
als Kolloidsystem reduziert ein geringerer Asphaltengehalt die Steifigkeit durch einen
Rückgang des Bewegungswiderstandes infolge des sinkenden Mizellenvolumens.
Dazu reduziert ein geringerer Asphaltengehalt die Elastizität durch geringere innere
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
62
10.000
90
9.000
80
8.000
70
7.000
60
R² = 0,6216
6.000
50
5.000
40
4.000
3.000
2.000
1.000
Phasenwinkel
20/30
30/45
50/70
70/100
160/220
kompl. Schermodul
20/30
30/45
50/70
70/700
160/220
30
R² = 0,501
Phasenwinkel bei 25 C [ ]
Kompl. Schermodul bei 25 C [kPa]
Spannungen und Deformationen der Asphaltene selbst. Das Bestimmtheitsmaß zwischen dem Asphaltengehalt und dem Phasenwinkel bei 25 °C (Bild 6-16) zeigt mit
einem Bestimmtheitsmaß von 0,62 einen tendenziellen Zusammenhang auf, während
das Bestimmtheitsmaß von 0,50 zwischen dem Asphaltengehalt und dem Logarithmus
des komplexen Schermoduls einen schwächeren Trend dokumentiert. Hiermit besteht
im Gebrauchstemperaturbereich eine exaktere Korrelation zwischen dem Asphaltengehalt und den Ergebnissen des DSR als zwischen den Ergebnissen der SARA-Analyse und der Nadelpenetration (Bestimmtheitsmaß für Gleichung 6-4: 0,44).
20
10
0
0
0
5
10
15
20
25
30
Asphaltengehalt [M.-%]
Bild 6-16:
Korrelation zwischen dem Asphaltengehalt und dem komplexen Schermodul bzw. dem Phasenwinkel
bei 25 °C
Wie bereits zuvor in diesem Kapitel beschrieben, nimmt der Einfluss des Asphaltengehalts auf die Steifigkeit mit zunehmender Temperatur und damit verbundenem zunehmend viskosem Fließverhalten des Bitumens zu. Hier scheint sich die deutliche
Einflussnahme der Kolloidstruktur und der Übergang vom Gel- (unterer Gebrauchstemperaturbereich) zum Solzustand (Verarbeitungstemperaturbereich) bemerkbar zu
machen. Zwischen dem Erweichungspunkt Ring und Kugel bzw. der damit bei Straßenbaubitumen korrespondierenden Äquiviskositätstemperatur (Temperatur, bei der
der komplexe Schermodul 15 kPa beträgt; siehe Kapitel 6.1.1) und dem Asphaltengehalt bestehen daher klare Zusammenhänge. Das Bestimmtheitsmaß für eine einfache
lineare Regression zwischen Asphaltengehalt und der Äquiviskositätstemperatur beträgt gemäß Bild 6-17 0,59. Bei reinviskosem Fließen ist die Steifigkeitszunahme mit
zunehmendem Asphaltengehalt noch ausgeprägter. Das Bestimmtheitsmaß für den
Zusammenhang zwischen dem Asphaltengehalt und dem Logarithmus der komplexen
Viskosität bei 120 °C beträgt 0,66 (Bild 6-18).
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
63
70
20/30
Äquiviskositätstemperatur
EG*(15 kPa)T [ C]
60
30/45
50/70
50
70/100
160/220
R² = 0,5946
40
30
20
10
0
0
5
10
15
20
25
30
Asphaltengehalt [M.-%]
Bild 6-17:
Korrelation zwischen dem Asphaltengehalt und der Äquiviskositätstemperatur (= Temperatur, bei der
der komplexe Schermodul 15 kPa beträgt)
Komplexe Viskosität bei 120 C [Pa s]
10
20/30
30/45
50/70
70/100
R² = 0,6554
160/220
1
0
0
5
10
15
20
25
30
Asphaltengehalt [M.-%]
Bild 6-18:
Korrelation zwischen dem Asphaltengehalt und der komplexen Viskosität bei 120 °C
Die Temperaturabhängigkeit der untersuchten Straßenbaubitumen nimmt mit zunehmendem Asphaltengehalt tendenziell ab. Bei Untersuchungen mittels DSR verdeutlicht
dies der Quotient aus den komplexen Schermoduln bei 0 und bei 60 °C, der mit zunehmendem Asphaltengehalt deutlich abnimmt. Das Bestimmtheitsmaß für den logarithmischen Zusammenhang zwischen diesen Größen beträgt 0,62 (Bild 6-19). Wie
bereits bezüglich des Kälte-, Gebrauchstemperatur- und Wärmeverhaltens gezeigt,
versteifen demnach die Asphaltene das Bitumen bei hohen Temperaturen maßgebend, während der Einfluss auf die Steifigkeit bei niedrigen Temperaturen gering ist.
Bezüglich der konventionellen Kennwerte Erweichungspunkt Ring und Kugel ist dieser
Zusammenhang jedoch minimal. Das Bestimmtheitsmaß für die Zunahme der Plastizitätsspanne bei zunehmendem Asphaltengehalt beträgt lediglich 0,15.
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
64
80
80.000
50
50.000
40
40.000
30
30.000
C)
60.000
/ G*(T= 60
60
C)
70.000
20
10
Plastizitätsspanne
20/30
30/45
50/70
70/700
160/220
kompl. Schermodul
20/30
30/45
50/70
70/100
G*(T=0
Plastizitätsspanne [ C]
R² = 0,1532
70
20.000
R² = 0,6217
10.000
160/220
0
0
0
5
10
15
20
25
30
Asphaltengehalt [M.-%]
Bild 6-19:
Korrelation zwischen dem Asphaltengehalt und der Plastizitätsspanne bzw. dem Quotienten aus dem
komplexen Schermodul bei 0 °C und dem komplexen Schermodul bei 60 °C
6.1.4 Unterschiede in den Bitumeneigenschaften in Abhängigkeit von der liefernden
Raffinerie
Mit dem DSR wurden die rheologischen Kennwerte komplexer Schermodul und Phasenwinkel bei einer Frequenz von 1,59 Hz in Abständen von jeweils 10 °C zwischen -10 und +150 °C gemessen. Eine Gegenüberstellung der beiden Kennwerte mit
dem Phasenwinkel auf der Abszisse und dem komplexen Schermodul im logarithmischen Maßstab auf der Ordinate, dem sogenannten Black-Diagramm, liefert grundlegende Informationen über das rheologische Verhalten der untersuchten Bitumen.
In Bild 6-20 bis Bild 6-22 sind die rheologischen Kennwerte der Bitumen 20/30, 30/45,
50/70, 70/100 und 160/220 der Raffinerien 1 und 2 (Bild 6-20), 4 und 5 (Bild 6-21) bzw.
6 und 7 (Bild 6-22) jeweils in Black-Diagrammen zusammengefasst. Da die geringe
Anzahl von jeweils nur drei Proben keine aussagekräftige Analyse über mögliche Unterschiede zulässt, wurden die Bitumen der Raffinerien 3 und 8 hierbei nicht berücksichtigt.
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
65
Komplexer Schermodul [Pa]
1,E+09
1,E+08
1,E+07
1,E+06
1,E+05
1,E+04
Raffinerie 1
1,E+03
Raffinerie 2
1,E+02
1,E+01
1,E+00
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
70
80
90
100
70
80
90
100
Phasenwinkel [ ]
Bild 6-20:
Black-Diagramm der Bitumen der Raffinerien 1 und 2
Komplexer Schermodul [Pa]
1,E+09
1,E+08
1,E+07
1,E+06
1,E+05
1,E+04
Raffinerie 4
1,E+03
Raffinerie 5 (20/30)
Raffinerie 5 (50/70 + 70/100)
1,E+02
1,E+01
1,E+00
0
10
20
30
40
50
60
Phasenwinkel [ ]
Bild 6-21:
Black-Diagramm der Bitumen der Raffinerien 4 und 5
Komplexer Schermodul [Pa]
1,E+09
1,E+08
1,E+07
1,E+06
1,E+05
Raffinerie 6
Raffinerie 7 (50/70)
1,E+04
Raffinerie 7 (70/100)
1,E+03
1,E+02
1,E+01
1,E+00
0
10
20
30
40
50
60
Phasenwinkel [ ]
Bild 6-22:
Black-Diagramm der Bitumen der Raffinerien 6 und 7
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
66
Bei sehr hoher oder sehr niedriger Bitumensteifigkeit ist das Verhältnis zwischen komplexem Schermodul und Phasenwinkel bei allen untersuchten Straßenbaubitumen nahezu identisch. Charakteristische Unterschiede sind im Black-Diagramm zwischen
Phasenwinkeln von 50 bis 80 ° bzw. zwischen komplexen Schermoduln von 1 kPa bis
10 MPa festzustellen. Dieses Spektrum entspricht etwa dem Temperaturbereich von
0 bis 40 °C bei sehr weichen bzw. 20 bis 70 °C bei sehr harten Bitumen. Bei höheren
Temperaturen weisen die Straßenbaubitumen idealviskoses Verhalten auf. Unterschiede können nicht ausgemacht werden, da die Phasenwinkel unabhängig von dem
komplexen Schermodul konstant 90 ° betragen. Bei niedrigen Temperaturen werden
zwar deutlich abweichende Phasenwinkel bei den untersuchten Straßenbaubitumen
festgestellt, jedoch zeigen die Phasenwinkel bei allen Proben eine nahezu identische
Abhängigkeit zu den jeweils korrespondierenden komplexen Schermoduln. Das rheologische Verhalten der Straßenbaubitumen ist folglich bei niedrigen Temperaturen
identisch. Die Bitumenhärte beeinflusst nur die Temperatur, bei der das Bitumen eine
bestimmte Steifigkeit aufweist. Dies zeigt für Untersuchungen mit dem BBR auch Bild
5-4, in dem der direkte Zusammenhang zwischen m-Wert und Biegekriechsteifigkeit
dargestellt ist.
Alle 14 Bitumen der Raffinerie 4 weisen trotz unterschiedlicher Bitumensorten (50/70,
70/100 und 160/220) keine Unterschiede im Black-Diagramm auf. Abgesehen von der
Steifigkeit ist das rheologische Verhalten dieser Bitumen folglich identisch.
Bei Raffinerie 7 bestehen charakteristische Unterschiede zwischen den Bitumen unterschiedlicher Sorte. Die vier Bitumen 70/100 sind untereinander nahezu identisch.
Mit Phasenwinkeln über 70 ° bei einem komplexen Schermodul von 1 MPa weisen sie
im Vergleich aller Straßenbaubitumen einen hohen steifigkeitsabhängigen viskosen
Verformungsanteil auf. Die Bitumen 50/70 sind dagegen bei gleichem komplexem
Schermodul deutlich elastischer. Untereinander weisen drei der vier Bitumen 50/70
jedoch ebenfalls ein nahezu identisches rheologisches Verhalten auf.
Bei Raffinerie 5 bestehen ebenfalls charakteristische Differenzen zwischen den Bitumen unterschiedlicher Sorte. Die zwei Bitumen 20/30 weisen mit Phasenwinkeln unter
60 ° bei einem komplexen Schermodul von 1 MPa im Vergleich aller Bitumen einen
sehr hohen elastischen Verformungsanteil auf. Die rheologischen Kennwerte der
sechs Bitumen 50/70 und 70/100 liegen dagegen im Durchschnitt aller untersuchten
Straßenbaubitumen. Mit Ausnahme eines Bitumen 50/70 zeigen die parallelen Funktionsverläufe im Black-Diagramm ein identisches rheologisches Verhalten.
Die sechs Bitumen der Raffinerie 6 (20/30, 30/45, 50/70, 70/100 bzw. 160/220) weisen
durchweg rheologische Unterschiede auf. Die Funktionsverläufe im Black-Diagramm
zeigen keine Gemeinsamkeiten.
Die Black-Diagramme der 27 bzw. 17 Bitumen der Raffinerien 1 bzw. 2 lassen deutliche Streuungen im Black-Diagramm erkennen. Auch zwischen den Bitumen gleicher
Sorte sind Unterschiede im rheologischen Verhalten offensichtlich (siehe Anhang 1).
Alle Bitumen sind mit Phasenwinkeln von 60 bis 70 ° bei einem komplexen Schermodul
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
67
von 1 MPa im Vergleich aller untersuchten Straßenbaubitumen unauffällig, wobei die
Bitumen der Raffinerie 1 im Mittel etwas viskoser sind als die Bitumen der Raffinerie 2.
55,0
55,0
45,0
45,0
35,0
35,0
25,0
25,0
15,0
15,0
5,0
5,0
47
53
47
21
53
85
21
24
85
21
24
55
21
21
55
21
-5,0
-5,0
-15,0
-15,0
-25,0
-25,0
1Raf. 12
3Raf. 24
5Raf. 36
7Raf. 48
9Raf. 510
11Raf. 612
13Raf. 714
15Raf. 816
EP (50/70) 50,9
49,8
48,9
49,7
49,8
50,4
50,1
49,6
EP (70/100) 46,5
46,3
45,8
46,8
47,5
48,8
45,7
46,6
BP (50/70)
-12,8
-11,6
-11,5
-12,1
-14,5
-9,5
-10,6
-10,5
BP (70/100)
-13,1
-15,7
-11,0
-17,2
-15,8
-13,0
-10,0
-11,0
Bild 6-23:
Brechpunkt
nach Fraaß [ C]
Erweichungspunkt
Ring und Kugel [ C]
Das in den Black-Diagrammen dargestellte Verhältnis zwischen komplexem Schermodul und Phasenwinkel beschreibt das grundsätzliche rheologische Verhalten der Bitumen. Für konkrete baupraktische Anwendungen ist jedoch in erster Linie die Viskosität
bei der Asphaltherstellung und vor allem die Steifigkeit bzw. die Sprödigkeit im Gebrauchstemperaturbereich von Interesse. Zum Vergleich der Bitumen unterschiedlicher Raffinerien bzw. der Bitumen, die jeweils aus der gleichen Raffinerie stammen,
sind dazu in Bild 6-23 die Temperaturen des Erweichungspunktes Ring und Kugel und
des Brechpunktes nach Fraaß für die untersuchten Bitumen 50/70 und 70/100 dargestellt. Für jede Raffinerie sind neben den Mittelwerten die minimalen und die maximalen Temperaturen und die Anzahl der untersuchten Proben angegeben.
Mittelwert, Minimum, Maximum und Anzahl der Proben der Bitumen 50/70 und 70/100 der acht Raffinerien für den Erweichungspunkt Ring und Kugel und den Brechpunkt nach Fraaß
Die Mittelwerte der Erweichungspunkte Ring und Kugel liegen zwischen 48,9 °C (Raffinerie 3) und 50,9 °C (Raffinerie 1) bei den Bitumen 50/70 und bei den Bitumen 70/100
zwischen 45,7 °C (Raffinerie 7) und 48,8 °C (Raffinerie 6). Damit weisen die Mittelwerte der Erweichungspunkte Ring und Kugel der dargestellten Bitumen aller acht Raffinerien nur geringe Differenzen auf. Alle Kennwerte liegen zudem deutlich innerhalb
des durch die [TL Bitumen-StB, 2013] vorgegebenen Anforderungsbereichs. Sämtliche Mittelwerte der Brechpunkte nach Fraaß erfüllen ebenfalls die Anforderungen der
[TL Bitumen-StB, 2013], wobei zwei Bitumen 70/100 der Raffinerie 7 den Maximalwert
von -10 °C um 2 bzw. 3 °C überschreiten. Die Brechpunkte der verschiedenen Raffinerien zeigen mit gemittelten -9,5 bis -14,5 °C (Bitumen 50/70) bzw. -10,0 bis -17,2 °C
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
68
(Bitumen 70/100) wesentlich größere Unterschiede als die Erweichungspunkte Ring
und Kugel.
An den Bitumen gleicher Raffinerie wurden unterschiedlich stark ausgeprägte Differenzen festgestellt. Hierbei sind die Differenzen der Erweichungspunkte Ring und Kugel mit wenigen Ausnahmen gering, während die Brechpunkte nach Fraaß bei Bitumen
gleicher Sorte und Raffinerie in einigen Fällen deutliche Abweichungen von maximal
10 °C aufweisen.
Bei den Bitumen 50/70 bzw. 70/100 der Raffinerie 4 sind die Unterschiede der Erweichungspunkte Ring und Kugel mit 2,4 bzw. 3,2 °C und vor allem der Brechpunkte nach
Fraaß mit 6,0 bzw. 10,0 °C relativ groß. Trotz des aus dem Black-Diagramm hervorgehenden identischen rheologischen Verhaltens weisen die Bitumen somit unterschiedliche Steifigkeiten auf. Vergleichbares gilt für die Bitumen der Raffinerien 5 und
7. Im Fall der Raffinerie 5 beträgt die maximale Differenz der Erweichungspunkte Ring
und Kugel bei den Bitumen 70/100 trotz geringer Unterschiede im Black-Diagramm
sogar 4,4 °C. Bitumen gleicher Sorte der Raffinerien 1 und 2, von denen die meisten
Proben vorliegen, weisen im Gegensatz zu den Bitumen der Raffinerien 4, 5 und 7
trotz deutlicher Unterschiede in den Black-Diagrammen mit Abweichungen von 0,3 bis
1,7 °C nur geringe Abweichungen bei den Erweichungspunkten Ring und Kugel auf.
Die Brechpunkte dieser Bitumen weisen mit Streuungen von 4 bis 8 °C jedoch deutliche Differenzen auf.
100
Raffinerie 1, Bitumen 50/70
90
Raffinerie 2, Bitumen 50/70
Raffinerie 3, Bitumen 50/70
80
Raffinerie 4, Bitumen 50/70
Siedeanteil [M.-%]
Raffinerie 5, Bitumen 50/70
70
Raffinerie 6, Bitumen 50/70
Raffinerie 7, Bitumen 50/70
60
Raffinerie 8, Bitumen 50/70
50
40
30
20
10
0
15
20
25
30
35
40
45
Zeit [min]
Bild 6-24:
Siedeanalyse, jeweils dargestellt sind die Mittelwerte der Bitumen 50/70 der verschiedenen Raffinerien
Charakteristische Zusammenhänge zwischen der Bitumensteifigkeit und dem Siedeverhalten der Bitumen existieren gemäß Kapitel 6.1.3 nicht. So bestehen weitaus größere Differenzen im Siedeverhalten der Bitumen 50/70 unterschiedlicher Raffinerien
als sie zwischen den unterschiedlichen Bitumensorten festgestellt werden (vgl. Bild
6-14 und Bild 6-24). Die Bitumen 50/70 der Raffinerien 2 und 7 verdeutlichen die fehlenden Zusammenhänge zwischen Bitumensteifigkeit und dem Siedeverhalten auch
für Bitumen gleicher Sorte: trotz der mit einer Differenz von 0,3 °C nahezu identischen
Erweichungspunkte Ring und Kugel weisen die Bitumen der Raffinerie 2 die größten
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
69
und die Bitumen der Raffinerie 7 die geringsten Anteile leichtsiedender Kohlenwasserstoffe auf.
Direkte Zusammenhänge zwischen den Ergebnissen der Siedeanalyse und dem in
Form des Black-Diagramms beschriebenen rheologischen Verhaltens bestehen ebenfalls nicht. Die Korrelationen zwischen den steifigkeitsabhängigen Phasenwinkeln bei
einem komplexen Schermodul von 1 MPa (charakteristischer Bereich im Black-Diagramm) und dem Siedeanteil nach 32 Minuten der Gaschromatographie liefern mit
Bestimmtheitsmaße kleiner 0,1 weder für die einzelnen Bitumensorten noch für die
Bitumen einer Raffinerie einen Zusammenhang. Dennoch können in vielen Fällen Zusammenhänge bezüglich der Streuungen des rheologischen Verhaltens und des Siedeverhaltens festgestellt werden. Am Beispiel der Bitumen 50/70 der Raffinerien 2 und
7 ist in Bild 6-25 dargestellt, dass Bitumen mit abweichenden Funktionsverläufen im
Black-Diagramm deutliche Streuungen im Siedeverhalten aufweisen (Raffinerie 2),
während sowohl das Siedeverhalten als auch die Funktionsverläufe im Black-Diagramm der Bitumen der Raffinerie 7 nur geringe Abweichungen zeigen. Diese Unterscheidung trifft in vielen Fällen auf die Streuungen zu, kann aber nicht auf die Kennwerte der einzelnen Bitumen übertragen werden.
100
Raffinerie 2, Bitumen 50/70
90
Raffinerie 7, Bitumen 50/70
Siedeanteil [M.-%]
80
70
60
50
40
30
20
10
0
15
20
25
30
35
40
45
Zeit [min]
Bild 6-25:
Siedeanalyse, jeweils dargestellt sind die Mittelwerte der Bitumen 50/70 der Raffinerien 1 und 7 sowie
deren die Varianten mit den leichtest siedenden bzw. am schwersten siedenden Anteilen
Aus dem klassischen Dreistoffdiagramm zur Darstellung der Ergebnisse der SARAAnalyse geht eine starke Streuung der Bitumen 50/70 der Raffinerie 1 hervor (Bild
6-26). Zwei dieser Proben weisen mit 43,5 bzw. 50,0 M.-% außergewöhnlich hohe Anteile polarer Verbindungen und mit 30,6 bzw. 23,5 M.-% im Gegenzug einen sehr geringen Anteil an Aromaten auf. Die anderen Bitumen 50/70 der Raffinerie 1 liegen dagegen im Spektrum aller Bitumen 50/70, deren polare Verbindungen zwischen 21,9
und 33,5 M.-% und Aromatenanteile zwischen 38,6 und 50,5 M.-% betragen. Die Bitumen der übrigen Raffinerien weisen im Dreistoffdiagramm keine auffälligen Streuungen auf.
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
70
Eine separate Analyse der Asphaltengehalte, die im Dreistoffdiagramm nicht einzeln
betrachtet werden, ist in Bild 6-27 dargestellt. Abgebildet sind die Mittelwerte je Raffinerie, die Minima und die Maxima sowie die Anzahl der Proben der Bitumen 50/70 und
70/100.
Raffinerie 1 (50/70)
Raffinerie 2 (50/70)
Raffinerie 3 (50/70)
Raffinerie 4 (50/70)
Raffinerie 5 (50/70)
Raffinerie 6 (50/70)
Raffinerie 7 (50/70)
Raffinerie 8 (50/70)
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Aliphaten + Asphaltene [M.-%]
Bild 6-26:
Dreistoffdiagramm zur Unterscheidung in Aromaten, polare Verbindungen und der Summe aus Aliphaten und Asphaltenen der Bitumen 50/70
Anteil der Asphaltene [M.-%]
25,0
20,0
15,0
10,0
5,0
4 7
0,0
Raffinerie
1
50/70
19,3
70/100
17,4
Bild 6-27:
5 3
2 1
8 5
2 4
2 1
5 5
2 1
Raffinerie
2
21,2
19,7
Raffinerie
3
17,4
15,8
Raffinerie
4
18,7
16,9
Raffinerie
5
17,2
17,0
Raffinerie
6
18,4
16,5
Raffinerie
7
17,9
14,3
Raffinerie
8
15,6
14,8
Mittelwert, Minimum, Maximum und Anzahl der Proben der Bitumen 50/70 und 70/100 der acht Raffinerien für den Asphaltengehalt
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
71
Trotz identischer Bitumensorte weisen die Asphaltengehalte der verschiedenen Raffinerien deutliche Unterschiede auf. Die Bitumen der Raffinerie 2 haben mit durchschnittlich 21,2 (50/70) bzw. 19,7 M.-% (70/100) die höchsten Asphaltengehalte. Demgegenüber haben im Mittel die Bitumen 50/70 der Raffinerie 6 mit 15,8 M.-% und die
Bitumen 70/100 der Raffinerie 5 mit 14,3 M.-% die geringsten Asphaltengehalte.
Vergleichsweise große Streuungen des Asphaltengehalts sind bei den Bitumen der
Raffinerie 7 festzustellen. Die Differenz zwischen minimalem und maximalem Messwert beträgt bei den Bitumen 50/70 7,8 M.-% und bei den Bitumen 70/100 4,8 M.-%.
Im Fall der Bitumen 50/70 wird die extreme Streuung jedoch durch eine Bitumenprobe
verursacht, die mit einem Asphaltengehalt von 13,0 M.-% den Mittelwert der übrigen
Proben dieser Raffinerie um 6,1 M.-% unterschreitet. Die Bitumen 50/70 und 70/100
der anderen Raffinerien weisen relativ konstante Asphaltengehalte auf. Im Mittel beträgt die Differenz zwischen Minimum und Maximum lediglich 2,1 M.-%.
Eine weitere Trennung der Asphaltene in deren leicht-, mittel- und schwerlösliche Anteile, also dem Asphaltenstatus nach ZENKE, ist für die Bitumen 50/70 in Bild 6-28
dargestellt. Bei allen Raffinerien ist, mit Ausnahme von Raffinerie 7, eine recht hohe
Schwankung in der Verteilung der Asphaltene zu erkennen.
Raffinerie 1 (50/70)
Raffinerie 2 (50/70)
Raffinerie 3 (50/70)
Raffinerie 4 (50/70)
Raffinerie 5 (50/70)
Raffinerie 6 (50/70)
Raffinerie 7 (50/70)
Raffinerie 8 (50/70)
90
80
70
60
50
40
30
20
10
Mittellösliche Asphaltene [M.-%]
Bild 6-28:
Dreistoffdiagramm zur Unterscheidung in leicht-, mittel- und schwerlösliche Asphaltene der Bitumen 50/70
6.1.5 Alterungsverhalten der untersuchten Straßenbaubitumen
Der Einfluss der Kurzzeitalterung wurde mit dem RTFOT-Verfahren untersucht, das
durch hohe Temperaturen und die Zufuhr von Sauerstoff auf einen dünnen Bitumenfilm
die thermisch-oxidativen Prozesse im Bitumen anregt. Die Massenänderungen der Bi-
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
72
Zunahme des Erweichungspunktes
Ring und Kugel nach RTFOT-Alterung [ C]
tumen, die vor allem durch die Aufnahme von Sauerstoff oder durch Destillationsprozesse leichterer Bestandteile verursacht werden können, entsprachen weitestgehend
den Anforderungen der [TL Bitumen-StB 07, 2013] und waren damit unauffällig. Zusammenhänge zwischen dem Siedeverhalten und der Masseänderung bzw. der Steifigkeitszunahme konnten nicht festgestellt werden. Die Änderungen der physikalischen Kennwerte der Nadelpenetration und des Erweichungspunktes Ring und Kugel,
an die in den [TL Bitumen-StB 07, 2013] Grenzwerte festgelegt sind, entsprechen
ebenfalls mit einer Ausnahme diesen Anforderungen. Die durch die RTFOT-Alterung
verursachten Zunahme des Erweichungspunktes Ring und Kugel fällt bei höheren Asphaltengehalten tendenziell etwas stärker aus, wobei dieser Zusammenhang mit einem Bestimmtheitsmaß von 0,25 sehr schwach ist (Bild 6-29). Zudem wird diese Tendenz vor allem durch die größere Zunahme des Erweichungspunktes Ring und Kugel
härterer Bitumen verursacht.
10,0
20/30
9,0
30/45
50/70
8,0
70/700
7,0
160/220
R² = 0,2457
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
0
5
10
15
20
25
30
Asphaltengehalt [M.-%]
Bild 6-29:
Asphaltengehalt der Frischbitumen in Abhängigkeit von der Zunahme des Erweichungspunktes Ring
und Kugel durch die RTFOT-Alterung
Komplexer Schermodul [Pa]
1,E+09
1,E+08
1,E+07
1,E+06
1,E+05
1,E+04
Raffinerie 1 (frisch)
1,E+03
Raffinerie 1 (nach RTFOT-Alterung)
1,E+02
1,E+01
1,E+00
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Phasenwinkel [ ]
Bild 6-30:
Black-Diagramm der Bitumen der Raffinerie 1 im frischen und gealterten (RTFOT) Zustand
100
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
73
Neben der Steifigkeitszunahme bewirkt die RTFOT-Alterung eine grundsätzliche Änderung der Bitumenrheologie. Das Verhältnis zwischen komplexem Schermodul und
Phasenwinkel wird deutlich beeinflusst. Bei gleicher Bitumensteifigkeit ist der elastische Verformungsanteil nach der Alterung größer. Die auf den komplexen Schermodul
von 1 MPa bezogenen Phasenwinkel gehen weitestgehend unabhängig von der Bitumensteifigkeit und -provenienz im Mittel um etwa 8 ° zurück (Bild 6-30 und Bild 6-31).
Inwieweit dies durch vorangegangene thermische Prozesse, wie beispielsweise durch
das Anblasen der Bitumen, beeinflusst wurde, ist im Rahmen dieses Forschungsprojektes nicht untersucht worden.
Komplexer Schermodul [Pa]
1,E+09
1,E+08
1,E+07
1,E+06
1,E+05
1,E+04
Raffinerie 2 (frisch)
1,E+03
Raffinerie 2 (nach RTFOT-Alterung)
1,E+02
1,E+01
1,E+00
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Phasenwinkel [ ]
Bild 6-31:
6.2
Black-Diagramm der Bitumen der Raffinerie 1 im frischen und gealterten (RTFOT) Zustand
Haftverhalten
6.1.1 Rolling-Bottle-Test
In Bild 6-34 sind die Umhüllungsgrade nach 6, 24 und 48 h für die einzelnen Gesteine
und Bitumensorten vergleichend dargestellt. Die größte Abnahme des Umhüllungsgrades ist beim Rhyolith, Diabas und Basalt zwischen der Ablesung nach 6 h und 24 h
festzustellen. Bei der Grauwacke trat bei der Hälfte der untersuchten Proben die größte
Veränderung nach 48 h auf. Für die weitere Analyse der Zusammenhänge wird dennoch der Wert nach 24 h herangezogen, da dieser in der Praxis nach dem ARS
11/2012 bei Erstprüfungen mit angegeben werden muss. Generell ist festzustellen,
dass die ermittelten Umhüllungsgrade bei vielen (30 von 48 entspricht 63 %) BitumenGesteins-Kombinationen nach 24 h unter 60 % liegen. Auch beim als haftunkritisch
bekannten Diabas, welcher in der Praxis vielfach ein gutes Haftverhalten aufzeigte, ist
dies festzustellen. Die im Labor geschätzten Umhüllungsgrade wurden aus diesem
Grund zusätzlich durch eine fotooptische Auswertung überprüft. Fotooptische Aufnahmen wurden mit Hilfe des Bildverarbeitungstools „Image Processing Toolbox“ des Programms MATLAB® ausgewertet. Mit diesem Programm werden sogenannte „ClusterBilder“ erzeugt und der Gesteinskörnung, dem Bitumen und dem Hintergrund verschie-
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
74
denen Farbgruppen zugeteilt und der Anteil der einzelnen Farbgruppen durch das Programm ermittelt. In Bild 6-32 sind die Originalaufnahme (links) und das zugehörige
Cluster-Bild (rechts) dargestellt.
Bild 6-32:
Original-Bild rechts, „Cluster-Bild“ links - Grauwacke nach 24 h mit 6.R1 30/45 [Böhler, 2014]
Der Umhüllungsgrad berechnet sich wie folgt:
Umhüllungsgrad =
Farbgruppe der Gesteinskörnung [Pixel]
Farbgruppe des verbliebenen Bitumens [Pixel]
Die Abweichungen zwischen der unabhängigen Bestimmung des Umhüllungsgrades
mit MATLAB® und der visuellen Schätzung beträgt 0 bis maximal 10 %. In Bild 6-33
sind die beiden Umhüllungsgrade gegenübergestellt. Hierbei bestätigen sich die visuellen Auswerteergebnisse.
100
Umhüllungsgrad [%] Schätzung
90
80
70
60
y = 1,0612x - 3,217
R² = 0,9391
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Umhüllungsgrad [%] ermittelt mit MATLAB®
Bild 6-33:
Korrelation der Mittelwerte der Ergebnisse der visuellen Schätzung und der Mittelwerte der Ergebnisse
von MATLAB [Böhler, 2014]
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
75
Bestätigung finden die Ergebnisse zusätzlich im Forschungsprojekt FE 07.0209/
2005/EGB [RENKEN et al., 2008], bei dem an verschiedenen Bitumen-Gesteins-Kombinationen (Basalt, Granit und Taunusquarzit mit drei verschiedenen Bitumen der
Sorte 50/70) Umhüllungsgrade nach 24 h unter 60 % festgestellt wurden. Umhüllungsgrade ≥ 75 % wurden beim unmodifizierten Bitumen nur beim Kalkstein ermittelt. Auch
[SCHMIDT, 2014] merkt an, dass der Anforderungswert von 60 % nach 24 h auch bei
basischen Gesteinen mit einem bekanntermaßen guten Adhäsionsverhalten unterschritten wird.
Beim Rhyolith kommt es in vielen Fällen zu Verklumpungen der bitumenumhüllten Gesteinskörnungen, so dass die Ergebnisse nicht berücksichtigt werden können. Bei den
anderen Gesteinen sind Verklumpungen bei den weicheren Bitumensorten 70/100 und
160/220 festzustellen.
100
90
80
Umhüllungsgrad [%]
70
60
50
nach 6 h
nach 24 h
40
nach 48 h
30
20
10
0
20/30
3
30/45
2
50/70
1
70/100 160/220 20/30
1
3
1
Rhyolith
Bild 6-34:
30/45
2
50/70 160/220 20/30
6
3
3
Diabas
30/45
2
50/70 160/220 20/30
6
2
3
Grauwacke
30/45
50/70
70/100
2
6
2
Basalt
Umhüllungsgrade in Abhängigkeit von der Rolldauer und dem Gestein
In Bild 6-35 sind die Umhüllungsgrade nach 24 h im Vergleich zu der Porosität der
Gesteine dargestellt. Das dichteste Gestein (Rhyolith) weist die geringsten Umhüllungsgerade auf. Diabas, Grauwacke und Basalt haben Umhüllungsgrade auf vergleichbarem Niveau trotz eines Unterschiedes in der Porosität von bis zu 1,4 %. Innerhalb der Gesteinsarten kommt es in Abhängigkeit von Bitumensorte und -provenienz
zu Umhüllungsgraddifferenzen nach 24 h Rolldauer von ca. 30 % (Basalt) bis zu 55 %
(Grauwacke). Beim Rhyolith könnte die Differenz von nur 25 % auch auf die geringere
Anzahl zu verwertender Ergebnisse zurückgeführt werden.
In Bild 6-36 sind die Umhüllungsgrade dem Quarzanteil des jeweiligen Gesteins gegenübergestellt. Die Grauwacke besitzt trotz hohen Quarzanteils ein unerwartet gutes
Haftverhalten im Vergleich zu den anderen Gesteinen. Dies könnte auf die vergleichsweise höhere Porosität des Gesteins zurückgeführt werden. Die Porosität begünstigt
die Verzahnung von Bitumen und Gestein.
Umhüllungsgrad nach 24 h [%]
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
76
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
Porosität [%]
Umhüllungsgrad nach 24 h [%]
Bild 6-35:
Umhüllungsgrade nach 24 h im Vergleich zur Porosität der Gesteine
90
80
70
60
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Quarzanteil [%]
Bild 6-36:
Rhyolith + 20/30
Rhyolith + 30/45
Rhyolith + 50/70
Rhyolith + 70/100
Rhyolith + 160/220
Diabas + 20/30
Diabas + 30/45
Diabas + 50/70
Diabas + 160/220
Grauwacke + 20/30
Grauwacke + 30/45
Grauwacke + 50/70
Grauwacke + 160/220
Basalt + 20/30
Basalt + 30/45
Basalt + 50/70
Basalt + 70/100
Rhyolith + 20/30
Rhyolith + 30/45
Rhyolith + 50/70
Rhyolith + 70/100
Rhyolith + 160/220
Diabas + 20/30
Diabas + 30/45
Diabas + 50/70
Diabas + 160/220
Grauwacke + 20/30
Grauwacke + 30/45
Grauwacke + 50/70
Grauwacke + 160/220
Basalt + 20/30
Basalt + 30/45
Basalt + 50/70
Basalt + 70/100
Umhüllungsgrade nach 24 h im Vergleich zum Quarzanteil der Gesteine
Zwischen dem Umhüllungsgrad nach 24 h und den in diesem Projekt bestimmten physikalischen bzw. chemischen Eigenschaften des Bitumens konnten keine brauchbaren
Zusammenhänge festgestellt werden. Dies gilt analog auch für die Umhüllungsgrade
nach 6 und 48 h. Exemplarisch zeigen dies Bild 6-37 bis Bild 6-40.
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
77
90
Umhüllungsgrad nach 24 h [%]
80
y = 0,1048x + 51,748
R² = 0,1078
70
60
y = -0,0824x + 62,767
R² = 0,0191
50
Rhyolith
Diabas
40
Grauwacke
30
y = -0,1336x + 58,318
R² = 0,3618
y = 0,0489x + 32,979
R² = 0,0628
Basalt
20
10
0
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
Nadelpenetration [1/10 mm]
Bild 6-37:
Zusammenhang zwischen der Nadelpenetration und dem Umhüllungsgrad nach 24 h
90
y = 0,0000x + 57,9211
R² = 0,0001
Umhüllungsgrad nach 24 h [%]
80
y = 7E-07x + 55,733
R² = 0,0326
y = 3E-06x + 39,438
R² = 0,4486
70
60
50
Rhyolith
Diabas
40
Grauwacke
30
Basalt
y = 3E-07x + 34,344
R² = 0,0082
20
10
0
0,E+00
2,E+06
4,E+06
6,E+06
8,E+06
1,E+07
1,E+07
Komplexer Schermodul G* bei 20 C [Pa]
Bild 6-38:
Zusammenhang zwischen dem komplexen Schermodul bei 20 °C und dem Umhüllungsgrad nach 24 h
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
78
90
Umhüllungsgrad nach 24 h [%]
80
y = 0,1478x + 54,191
R² = 0,0105
70
60
y = -0,3577x + 69,054
R² = 0,032
50
Rhyolith
y = -0,1383x + 53,771
R² = 0,0134
40
30
Diabas
Grauwacke
Basalt
y = 0,194x + 29,024
R² = 0,0287
20
10
0
20
25
30
35
40
45
50
55
Anteil an polaren Verbindungen [M.-%]
Bild 6-39:
Zusammenhang zwischen dem Anteil der polaren Verbindungen und dem Umhüllungsgrad nach 24 h
90
Umhüllungsgrad nach 24 h [%]
80
70
y = -0,3172x + 64,588
R² = 0,0056
60
y = 1,5699x + 17,607
R² = 0,2381
y = -1,1196x + 82,04
R² = 0,1273
50
Rhyolith
Diabas
40
Grauwacke
y = -0,0749x + 37,202
R² = 0,0013
30
Basalt
20
10
0
10
15
20
25
30
Anteil an Asphaltenen [M.-%]
Bild 6-40:
Zusammenhang zwischen dem Anteil der Asphaltene und dem Umhüllungsgrad nach 24 h
Die Zusammenhänge zwischen der chemischen Zusammensetzung des Bitumens und
dem Umhüllungsgrad nach 24 h können auch durch eine Multiple-Lineare-Regression,
bei der die Viskosität der verschiedenen Bitumen durch den komplexen Schermodul
bei 20 °C berücksichtigt wird, nicht verbessert werden. In Bild 6-41 ist der Unterschied
zwischen den berechneten und den im Labor bestimmten Werten - für die einzelnen
Gesteine getrennt betrachtet - exemplarisch für den Anteil der Polaren Verbindungen
im Bitumen dargestellt.
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
79
90
80
y=x
R² = 0,0354
y = x - 3E-12
R² = 0,038
Umhüllungsgrad nach 24 h [%]
70
y = x + 3E-13
R² = 0,4677
60
50
Rhyolith
Diabas
40
Grauwacke
Basalt
30
y=x
R² = 0,0304
20
10
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
Berechneter Umhüllungsgrad nach 24 h [%] unter Einbeziehung der Viskosität und den
polaren Anteilen des Bitumens für die verschiedenen Gesteine seperat betrachtet*
Bild 6-41:
Zusammenhang zwischen dem Umhüllungsgrad und dem Anteil der polaren Verbindungen unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Viskosität der Bitumen
*Die Gleichungen, die der Berechnung zugrunde liegen, sind dem Text zu entnehmen.
Die Bild 6-41 zugrunde liegenden Gleichungen lauten wie folgt:
Rhyolith:
Diabas:
Grauwacke:
Basalt:
Mit
U = 0,18 x P + 1,22 x 10-7 x G* + 28,92
U = -0,17 x P + 2,52 x 10-6 x G* + 44,73
U = -0,42 x P + 4,01 x 10-7 x G* + 69,20
U = 0,08 x P + 6,42 x 10-7 x G* + 53,50
(Gl. 6-7)
(Gl. 6-8)
(Gl. 6-9)
(Gl. 6-10)
R² = 0,03
R² = 0,47
R² = 0,04
R² = 0,04
U = Umhüllungsgrad nach 24 h [%]; P = Anteil der polaren Verbindungen [M.-%]
G* = Komplexer Schermodul bei 20 °C [Pa]
Zur abschließenden Überprüfung wurden alle in diesem Projekt ermittelten chemischen Kennwerte des Bitumens, der komplexe Schermodul und die Gesteinseigenschaften bei der Multiplen-Linearen-Regression berücksichtigt. Der Umhüllungsgrad
berechnet sich demnach wie folgt:
U = 1,39 x 10-6 G* + 72,88 x As + 72,76 x P + 72,00 x Ar + 74,87 x Al – 3,28 x Pa
+ 11,36 x Po + 0,02 x Q – 7233,58
(Gl. 6-11)
R² = 0,52
Mit U = Umhüllungsgrad nach 24 h [%]; G* = Komplexer Schermodul bei 20 °C [Pa]
As = Anteil der Asphaltene [M.-%],
P = Anteil der polaren Verbindungen [M.-%]
Ar = Anteil der Aromaten [M.-%],
Al = Anteil der Aliphaten [M.-%]
Pa = Anteil der Paraffine [M.-%],
Po = Porosität der Gesteine [%]
Q = Quarzanteil [M.-%]
Die Gleichung entspricht den Angaben in der Literatur dahingehend, dass Bitumen mit
einer höheren Viskosität, d.h. höherem komplexen Schermodul, ein besseres Adhäsionsverhalten besitzen, da dieser Wert mit einem positiven Vorfaktor eingeht und der
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
80
Umhüllungsgrad mit einem höheren komplexen Schermodul ansteigt. Gleiches gilt für
die Porosität der Gesteine. Eine höhere Porosität führt zu einem höheren Umhüllungsgrad. Aufgrund dessen, dass die Stoffgruppen im Bitumen mit ähnlichen Vorfaktoren
in der Gleichung berücksichtigt werden, könnte davon ausgegangen werden, dass sie
für die Multiple-Lineare-Regression nicht von Bedeutung sind, werden sie weggelassen, verringert sich das Bestimmtheitsmaß jedoch auf 0,36. Ein höherer Paraffingehalt
wirkt sich wie erwartet negativ auf den Umhüllungsgrad aus.
6.1.2 Schüttelabriebversuch
In Bild 6-42 und Bild 6-43 sind die Abhängigkeiten zwischen den Ergebnissen der
Schüttelabriebversuche und den Porositäten bzw. den Quarzanteilen der Gesteine
dargestellt. Bei diesem Prüfverfahren ist der Einfluss der beiden Gesteinseigenschaften gering. In Abhängigkeit vom Bitumen ergeben sich Unterschiede im Abrieb von
56 % beim Rhyolith, 57 % beim Diabas, 70 % bei der Grauwacke und 74 % beim
Basalt.
90
80
Abrieb [%]
70
60
50
40
30
20
10
0
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
Porosität [%]
Bild 6-42:
Abrieb im Vergleich zur Porosität der Gesteine
90
80
Abrieb [%]
70
60
50
40
30
20
10
0
0
10
20
30
40
50
Quarzanteil [%]
Bild 6-43:
Rhyolith + 20/30
Rhyolith + 30/45
Rhyolith + 50/70
Rhyolith + 70/100
Rhyolith + 160/220
Diabas + 20/30
Diabas + 30/45
Diabas + 50/70
Diabas + 70/100
Diabas + 160/220
Grauwacke + 20/30
Grauwacke 30/45
Grauwacke + 50/70
Grauwacke + 70/100
Grauwacke + 160/220
Basalt + 20/30
Basalt + 30/45
Basalt + 50/70
Basalt + 70/100
Basalt + 160/220
Abrieb im Vergleich zum Quarzanteil der Gesteine
60
70
Rhyolith + 20/30
Rhyolith + 30/45
Rhyolith + 50/70
Rhyolith + 70/100
Rhyolith + 160/220
Diabas + 20/30
Diabas + 30/45
Diabas + 50/70
Diabas + 70/100
Diabas + 160/220
Grauwacke + 20/30
Grauwacke 30/45
Grauwacke + 50/70
Grauwacke + 70/100
Grauwacke + 160/220
Basalt + 20/30
Basalt + 30/45
Basalt + 50/70
Basalt + 70/100
Basalt + 160/220
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
81
In Bild 6-44 sind die Abriebergebnisse aller Bitumen und Gesteine vergleichend dargestellt. Dabei zeigt sich, dass die Ergebnisse von der Härte des Bitumens abhängig
sind. Der Abrieb ist bei den weichen Bitumen geringer als bei harten Bitumen. Als Ergebnis der Literaturrecherche wurde festgehalten, dass viskosere Bitumen sich schwerer von Wasser verdrängen lassen. Dies kann mit den hier vorliegenden Ergebnissen
nicht bestätigt werden. Möglicherweise werden die im Schüttelabriebversuch auftretenden mechanischen Kräfte von weicheren Bindemitteln gedämpft.
80
70
60
Abrieb [%]
50
40
30
20
10
0
2.1 20/30
2.2 20/30
2.R1 30/45
6.R1 30/45
1.1 50/70
Rhyolith
Bild 6-44:
1.2 50/70
Diabas
2.1 50/70
2.2 50/70
Grauwacke
2.1 70/100
5.1 70/100 1.2 160/220 2.1 160/220 2.2 160/220
Basalt
Vergleichende Darstellung der Abriebergebnisse aller Bitumen und Gesteine
Der Einfluss der Härte des Bitumens wird auch durch den Zusammenhang zwischen
dem Abrieb und den physikalischen Eigenschaften wie dem Erweichungspunkt Ring
und Kugel, der Nadelpenetration, dem komplexen Schermodul und dem Phasenwinkel
ersichtlich. Exemplarisch ist dies Bild 6-45 und Bild 6-46 zu entnehmen.
90
80
70
y = 2,9987x - 111,8
R² = 0,9037
Abrieb [%]
60
y = 2,72x - 101,14
R² = 0,8582
50
40
y = 2,8689x - 107,47
R² = 0,9239
30
y = 3,5962x - 141,72
R² = 0,9296
Rhyolith
Diabas
Grauwacke
Basalt
20
10
0
35
40
45
50
55
60
65
Erweichungspunkt Ring und Kugel [ C]
Bild 6-45:
Zusammenhang zwischen dem Erweichungspunkt Ring und Kugel und dem Abrieb
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
82
90
y = 9E-06x + 7,3899
R² = 0,8077
80
y = 8E-06x + 11,124
R² = 0,8808
70
Abrieb [%]
60
50
40
y = 7E-06x + 11,431
R² = 0,8067
30
y = 7E-06x + 11,941
R² = 0,725
Rhyolith
Diabas
Grauwacke
Basalt
20
10
0
0,E+00
2,E+06
4,E+06
6,E+06
8,E+06
1,E+07
Komplexer Schermodul G* bei 20 C [Pa]
Bild 6-46:
Zusammenhang zwischen dem komplexen Schermodul bei 20 °C und dem Abrieb
Hinsichtlich der chemischen Zusammensetzung kann ein tendenzieller Zusammenhang zwischen dem Asphaltengehalt und dem Abrieb festgestellt werden (Bild 6-47).
Dies bestätigt erneut den Einfluss der Bitumenhärte, da der Asphaltengehalt grundsätzlich auch die Härte des Bitumens bestimmt. Ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der weiteren, in diesem Projekt ermittelten chemischen Zusammensetzung der
Bitumen und den Ergebnissen des Schüttelabriebversuches konnte nicht festgestellt
werden.
90
y = 5,0838x - 65,391
R² = 0,6414
80
y = 4,3052x - 49,478
R² = 0,6431
70
Abrieb [%]
60
50
Rhyolith
Diabas
40
y = 4,3484x - 52,407
R² = 0,7329
30
y = 3,8595x - 43,693
R² = 0,5966
20
10
0
10
15
20
25
Anteil an Asphaltenen [M.-%]
Bild 6-47:
Zusammenhang zwischen dem Anteil der Asphaltene und dem Abrieb
30
Grauwacke
Basalt
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
83
Der Abrieb berechnet sich unter Berücksichtigung des komplexen Schermoduls, der
chemischen Zusammensetzung und den Gesteinseigenschaften, Porosität und
Quarzanteil, nach der Multiplen-Linearen-Regression wie folgt:
= 5,57 x 10-6 G* - 6,02 x As – 7,10 x P – 7,34 x Ar – 7,63 x Al – 10,86 x Pa +
0,96 x Po + 0,02 x Q + 729,40
(Gl. 6-12)
R² = 0,87
A
Mit
A = Abrieb [%];
As = Anteil der Asphaltene [M.-%],
Ar = Anteil der Aromaten [M.-%],
Pa = Anteil der Paraffine [M.-%],
Q = Quarzanteil [M.-%]
G* = Komplexer Schermodul bei 20 °C [Pa]
P = Anteil der polaren Verbindungen [M.-%]
Al = Anteil der Aliphaten [M.-%]
Po = Porosität der Gesteine [%]
Das Bestimmtheitsmaß beträgt 0,87. Somit ist ein Zusammenhang zwischen den
Kennwerten und den Ergebnissen der Schüttelabriebprüfung gegeben. Einen großen
Einfluss hat der komplexe Schermodul, wird nur der komplexe Schermodul mit den
Abriebergebnissen unabhängig von der Gesteinsart betrachtet, ergibt sich bereits ein
Bestimmtheitsmaß von 0,79 (Bild 6-48), dieses kann durch die weiteren Kennwerte
verbessert werden. Entsprechend den Aussagen der Literaturrecherche verringert sich
der Abrieb bei zunehmendem Anteil der polaren Verbindungen und der Aromaten, jedoch entgegen den bisherigen Erkenntnissen verringert sich der Abrieb mit zunehmenden Anteil an Paraffinen.
90
80
y = 8E-06x + 10,242
R² = 0,7928
70
Abrieb [%]
60
50
40
30
20
10
0
0,E+00
1,E+06
2,E+06
3,E+06
4,E+06
5,E+06
6,E+06
7,E+06
8,E+06
9,E+06
Komplexer Schermodul bei 20 C [Pa]
Bild 6-48:
Zusammenhang zwischen den Ergebnissen der Schüttelabriebprüfung und dem komplexen Schermodul bei 20 °C
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
84
6.1.3 Bestimmung der Wasserempfindlichkeit
In Bild 6-49 sind die ITSR-Werte der ausgewählten Bitumen mit den Gesteinen Rhyolith und Basalt vergleichend dargestellt.
140
120
ITSR [%]
100
80
60
40
20
0
1.4 20/30 2.1 20/30 2.2 20/30 1.2 30/45 2.R1 30/45 6.R1 30/45 1.1 50/70 1.2 50/70 2.1 50/70 2.2 50/70 2.1 70/100 5.1 70/100 7.4 70/100
Rhyolith
Bild 6-49:
Basalt
Vergleichende Darstellung der ITSR-Werte aller Bitumen mit Rhyolith und Basalt
Die Asphaltgemische mit Basalt zeigen eine etwas geringere Wasserempfindlichkeit
als die mit Rhyolith. Auffällig ist hier das Ergebnis der Variante Rhyolith mit 5.1 70/100,
die eine deutlich höhere Wasserempfindlichkeit zeigt, als die anderen Varianten. Dieses Ergebnis kann bei den dynamischen Versuchen nicht bestätigt werden (siehe Bild
6-52). Ein Zusammenhang zwischen den ITSR-Werten und den physikalischen und
chemischen Eigenschaften der verschiedenen Bitumen konnte nicht festgestellt werden. Dies zeigt exemplarisch der Zusammenhang zwischen den ITSR-Werten und
dem komplexen Schermodul (Bild 6-50) bzw. dem Anteil an polaren Verbindungen
(Bild 6-51).
140
y = -2E-06x + 114,55
R² = 0,2248
120
ITSR [%]
100
80
y = 2E-06x + 84,175
R² = 0,0941
Rhyolith
60
Basalt
40
20
0
0,E+00
2,E+06
4,E+06
6,E+06
8,E+06
1,E+07
Komplexer Schermodul G* bei 20 C [Pa]
Bild 6-50:
Zusammenhang zwischen den ITSR-Werten und dem komplexen Schermodul bei 20 °C
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
85
140
120
y = 0,108x + 101,76
R² = 0,0052
ITSR [%]
100
80
y = -0,3531x + 102,4
R² = 0,0397
Rhyolith
60
Basalt
40
20
0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
45,0
50,0
55,0
60,0
Anteil an polaren Verbindungen [M.-%]
Bild 6-51:
Zusammenhang zwischen den ITSR-Werten und dem Anteil an polaren Verbindungen
Die Multiple-Lineare-Regression mit Berücksichtigung des komplexen Schermoduls,
der chemischen Zusammensetzung der Bitumen, der Porosität und dem Quarzanteil
der Gesteine ergab keinen brauchbaren Zusammenhang (R² = 0,33).
In Bild 6-52 sind die Verhältnisse der Lastwechselzahl Nmakro vor und nach Wasserlagerung der verschiedenen Varianten gegenübergestellt. Vielfach wurde hierbei eine
„Verbesserung“ des Ermüdungsverhaltens nach Wasserlagerung festgestellt. Möglicherweise ist die Zeitdauer zwischen der Probenherstellung und der Prüfung oder der
Porenwasserdruck beeinflussender als die Wasserlagerung
Nmakro nass/Nmakro trocken [%]
300
250
200
150
100
50
0
2.1 20/30 2.2 20/30 1.4 20/30 2.R1 30/45 1.2 30/45 6.R1 30/45 1.1 50/70 1.2 50/70 2.1 50/70 2.2 50/70 2.1 70/100 5.1 70/100 7.4 70/100
Rhyolith
Bild 6-52:
Basalt
Vergleichende Darstellung der Ergebnisse der Ermüdungslastwechselzahl vor und nach Wasserlagerung der ausgewählten Bitumen für Rhyolith und Basalt
Auch bei diesem Prüfverfahren kann kein Zusammenhang zwischen den Ergebnissen
und den physikalischen bzw. chemischen Eigenschaften des Bitumens quantifiziert
werden.
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
86
6.1.4 Kontaktwinkelmessungen
Bei Betrachtung der Oberflächenspannungen der Gesteine (Tab. 5-12) fällt auf, dass
diese vergleichbar sind. Der Rhyolith hat mit 62 mN/m eine etwas höhere Oberflächenspannung als der Basalt und die Grauwacke. Die Grauwacke weist die geringsten polaren Anteile auf, während die Anteile vom Basalt und Rhyolith auf einem vergleichbaren Niveau liegen. Mit Hilfe der polaren Anteile kann das bessere Adhäsionsverhalten
des Basaltes im Vergleich zum Rhyolith somit nicht begründet werden. Die höhere
Oberflächenspannung des Rhyoliths könnte eine Begründung für dessen schlechteres
Adhäsionsverhalten darstellen.
In Bild 6-53 sind die Oberflächenspannungen der verschiedenen Bitumen gegenübergestellt. Die Differenz zwischen der maximalen und minimalen Oberflächenspannung
beträgt 2,06 mN/m, somit liegen alle Ergebnisse auf einem Niveau und auf eine weitere
Analyse der Einflüsse auf die Oberflächenspannung wurde verzichtet.
35
Oberflächenspannung [mN/m]
30
25
20
15
10
5
0
20/30 1.2
Bild 6-53:
20/30 2.1
30/45 2.R1 30/45 6.R1
50/70 1.1
50/70 2.1
50/70 1.2
50/70 2.2
70/100 5.1 70/100 7.1 160/220 1.2 160/220 2.1 160/220 2.2
Vergleichende Darstellung der Oberflächenspannungen der ausgewählten Bitumen
In Bild 6-54 ist das unterschiedliche Spreitverhalten der ausgewählten Bitumen auf
Rhyolith, Grauwacke und Diabas dargestellt. Trotz Prüfung bei Äquiviskositätstemperatur und vergleichbarer Oberflächenspannung der Bitumen sind Unterschiede im
Spreitverhalten in Abhängigkeit vom Bitumen festzustellen. Diese Unterschiede können jedoch nicht auf einfache Zusammenhänge mit der chemischen Zusammensetzung des Bitumens zurückgeführt werden (exemplarische Darstellung für den Anteil
an polaren Verbindungen Bild 6-55). Eine Abhängigkeit vom Gestein lässt sich ebenfalls nicht erkennen.
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
87
Zeit für die Verringerung des Kontaktwinkels von 60 auf 30 [s]
120
100
80
Rhyolith
60
Grauwacke
Basalt
40
20
0
1.1 50/70
Bild 6-54:
1.2 50/70
2.1 50/70
2.2 50/70
5.1 70/100
7.1 70/100
1.2 160/220 2.1 160/220 2.2 160/220
Vergleichende Darstellung des unterschiedlichen Spreitverhaltens der ausgewählten Bitumen auf
Rhyolith, Grauwacke und Basalt
Zeit für die Verringerung des Winkels von 60 auf 30 [s]
120
100
y = 0,7801x + 39,702
R² = 0,1643
80
y = 0,4527x + 54,751
R² = 0,057
Rhyolith
60
y = -0,2158x + 75,207
R² = 0,0139
Grauwacke
Basalt
40
20
0
15
Bild 6-55:
20
25
30
35
40
45
Anteil der polaren Verbindungen [%]
50
55
60
Zusammenhang zwischen dem Anteil der polaren Verbindungen und dem Spreitverhalten der verschiedenen Bitumen in Abhängigkeit vom Gestein
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
88
6.1.5 Vergleich der Ergebnisse der verschiedenen Prüfverfahren
Die Betrachtung der einzelnen Prüfverfahren lässt auf keine Zusammenhänge zwischen den physikalischen und chemischen Eigenschaften des Bitumens und dem Adhäsionsverhalten schließen. Aus diesem Grund werden an dieser Stelle die verschiedenen Ergebnisse für die Gesteine Basalt und Rhyolith verglichen, um gegebenenfalls.
Bitumen zu ermitteln, die in allen Versuchen ein gutes oder schlechtes Adhäsionsverhalten zeigen. Da der Schüttelabriebversuch nachweislich von der Härte des Bitumens
abhängig ist, werden die Ergebnisse mit folgender Formel normiert:
An =
mit:
A
*
G20 C
∙ 100.000
An
A
*
G20
C
Abrieb „normiert“
Abrieb
Komplexer Schermodul bei 20 °C
In Tab. 6-1 sind die Ergebnisse der hier verwendeten Prüfverfahren für die verschiedenen Varianten vergleichend dargestellt.
Tab. 6-1:
Gestein
Rhyolith
Basalt
Vergleich der Varianten bei den Prüfverfahren zur Bewertung der Wasserempfindlichkeit, dem Schüttelabriebversuch und dem Rolling-Bottle-Test
2.1 20/30
Verhältnis
Nmakro Nass/
Nmakro Trocken
[%]
181
2.2 20/30
72
100
0,77
6.R1 30/45
145
115
1,21
1.1 50/70
70
100
1,17
1.2 50/70
66
104
1,19
2.1 50/70
94
125
1,51
2.2 50/70
158
91
1,40
2.1 70/100
107
128
1,25
5.1 70/100
112
104
0,84
2.1 20/30
131
99
0,89
60
2.2 20/30
138
81
0,86
50
6.R1 30/45
159
94
1,33
70
1.1 50/70
171
102
1,31
65
1.2 50/70
128
95
1,33
70
2.1 50/70
193
106
1,51
65
2.2 50/70
234
81
1,14
55
2.1 70/100
243
94
0,64
40
5.1 70/100
89
57
1,47
75
Bitumen
ITSR
[%]
Abrieb "normiert"
[%]
101
0,76
Umhüllungsgrad nach
24 h
[%]
zu geringe Datenmenge
aufgrund von
Verklumpungen
Die Tabelle veranschaulicht, dass die verschiedenen Prüfverfahren zu keinem einheitlichen Ranking der verschiedenen Bitumen-Gestein-Kombinationen führen und sich
zum Teil widersprechen.
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
89
6.1.6 Einfluss der Polymermodifizierung
Der Einfluss der Polymermodifizierung auf den Umhüllungsgrad beim Rhyolith ist für
die verschiedenen Polymere vergleichend in Bild 6-56 dargestellt. Die höchsten Umhüllungsgrade nach 6 h weisen das Elastomer B (80 %) und das Plastomer C (85 %)
auf. Nach 24 h sind die Umhüllungsgrade insgesamt drastisch niedriger. Außerdem ist
die Spreizung der Ergebnisse und damit die Aussagekraft größer. Nach 24 h und auch
nach 48 h erreichen die Mischungen mit dem Plastomer B und C die höchsten Umhüllungsgrade. In Bild 6-57 sind die Veränderungen des Umhüllungsgrades nach 24 h der
verschiedenen polymermodifizierten Bitumen im Vergleich zum Bitumen 2.1 50/70 für
die Gesteine Basalt, Grauwacke und Diabas gegenübergestellt. Hier zeigt sich, dass
der Einfluss der Modifizierung stark vom Gestein abhängig ist. Einen nennenswerten
Einfluss auf das Adhäsionsverhalten haben die Modifizierungen nur bei der Grauwacke. Beim Basalt und beim Diabas sind keine signifikanten Veränderungen beobachtet
worden. Unabhängig vom Gestein hat die Modifizierung mit dem Plastomer A die geringste Veränderung der Ergebnisse im Rolling-Bottle-Test ergeben.
90
85
80
80
75
Umhüllungsgrad [%]
70
65
60
50
45
45
40
40
nach 6 h
40
35
nach 24 h
nach 48 h
30
25
20
20
10
5
5
5
5
5
5
0
0
2.1 50/70 +
Elastomer A
Bild 6-56:
2.1 50/70 +
Elastomer B
2.1 50/70 +
Elastomer C
2.1 50/70 +
Plastomer A
2.1 50/70 +
Plastomer B
2.1 50/70 +
Plastomer C
Umhüllungsgrade der verschiedenen PmB bei Rhyolith nach 6, 24 und 48 h
Diabas
Grauwacke
Basalt
Veränderung des Umhüllungsgrads nach 24 h
modifiziertes zu unmodifiziertes Bitumen [%]
300
250
200
2.1 50/70 + Elastomer A
2.1 50/70 + Elastomer B
150
2.1 50/70 + Elastomer C
2.1 50/70 + Plastomer A
100
2.1 50/70 + Plastomer B
2.1 50/70 + Plastomer C
50
0
-50
Bild 6-57:
Einfluss der Polymermodifizierung auf den Umhüllungsgrad nach 24 h bei Diabas, Grauwacke und
Basalt
6 Bewertung der Versuchsergebnisse
90
Die Ergebnisse der Schüttelabriebversuche sind in Bild 6-58 vergleichend dargestellt.
Der Einfluss der Bitumenhärte ist auch bei diesen Versuchen wieder festzustellen. Die
modifizierten Bitumen mit höherer Nadelpenetration und somit geringerer Härte
(2.1 50/70 + Plastomer B und C) führen zu einem geringeren Abrieb. Trotz einer insgesamt steigenden Härte durch die Modifizierung zeigt sich, abgesehen von dem
Elastomer A beim Basalt, eine Verbesserung des Abriebverhaltens.
30,0
Rhyolith
Diabas
Grauwacke
Basalt
Veränderung des Abriebs modifiziertes zu
unmodifiziertes Bitumen [%]
20,0
10,0
0,0
-10,0
2.1 50/70 + Elastomer A
2.1 50/70 + Elastomer B
2.1 50/70 + Elastomer C
-20,0
2.1 50/70 + Plastomer A
2.1 50/70 + Plastomer B
-30,0
2.1 50/70 + Plastomer C
-40,0
-50,0
-60,0
-70,0
Bild 6-58:
Einfluss der Polymermodifizierung auf den Abrieb bei Diabas, Grauwacke und Basalt
7 Zusammenfassung und Ausblick
91
7 Zusammenfassung und Ausblick
In diesem Forschungsprojekt wurden durch eine umfassende Analyse von 90 Straßenbaubitumen zunächst die Zusammenhänge zwischen den physikalischen Eigenschaften und der chemischen Zusammensetzung untersucht. Im Anschluss daran wurde mit
ausgewählten Bitumen der Einfluss der physikalischen Eigenschaften bzw. der chemischen Zusammensetzung auf das Adhäsionsverhalten bei verschiedenen Gesteinskörnungen näher analysiert.
Die Analyse des Kälteverhaltens mit den genormten Prüfverfahren liefert bereits bei
Straßenbaubitumen keine einheitliche Bewertung. Die tendenziell vergleichbaren, jedoch im Detail deutlich abweichenden Bewertungen anhand der Brechpunkte nach
Fraaß oder anhand der BBR-Ergebnisse verdeutlichen, dass die derzeitigen Analysen
des Kälteverhaltens noch Verbesserungspotenzial aufweisen.
Bei den untersuchten Straßenbaubitumen weisen die mittels DSR bestimmten rheologischen Kennwerte und die Ergebnisse der BBR-Messungen einen direkten Zusammenhang auf. Gute Korrelationen liefern die DSR-Kennwerte darüber hinaus zu den
Ergebnissen der Versuche in den weiteren Temperaturbereichen, also der Nadelpenetration und dem Erweichungspunkt Ring und Kugel. In Form einer Äquiviskositätstemperatur (Temperatur, bei der der komplexe Schermodul 15 kPa beträgt) ist mit
dem DSR eine Kenngröße zu bestimmen, die bei Straßenbaubitumen dem Erweichungspunkt Ring und Kugel mit hoher Präzision entspricht.
Alle untersuchten Straßenbaubitumen weisen eine vergleichbare Temperaturabhängigkeit auf, wobei mit zunehmender Bitumenhärte eine tendenziell größere Plastizitätsspanne festgestellt wurde. Durch eine Polymermodifizierung werden die Bitumeneigenschaften dagegen entscheidend verändert. Die DSR-Ergebnisse zeigen
eine grundlegende Veränderung der Bitumenrheologie und eine deutliche Reduzierung der Temperaturabhängigkeit. Bei zusätzlicher Bestimmung des Kraft-DuktilitätVerhaltens werden darüber hinaus Unterschiede zwischen den verwendeten Elastomeren und Plastomeren festgestellt: während ein Plastomer die Bitumen versteift und
die beiden anderen Plastomere offensichtlich stabile Netzwerke ausbilden (Erhöhung
der Formänderungsarbeit), erhöhen die Elastomere sowohl die Steifigkeit als auch die
Elastizität.
Während die Verteilung der Aliphaten, Aromaten und polaren Verbindungen in der
Gruppe der Maltene keinen feststellbaren Einfluss auf die physikalischen Eigenschaften der Bitumen ausübt, beeinflusst der Asphaltengehalt die Bitumensteifigkeit maßgeblich. Mit zunehmendem Asphaltengehalt nimmt die Bitumensteifigkeit kontinuierlich
zu. Dieser Einfluss nimmt mit zunehmender Temperatur und der damit verbundenen
Viskositätsabnahme zu.
Die Straßenbaubitumen wurden neben dem frischen Zustand auch nach einer thermisch-oxidativen Kurzzeitalterung (RTFOT-Verfahren) untersucht. Neben der bekannten Steifigkeitserhöhung ist nach der Alterung eine signifikante Veränderung der Bitumenrheologie festzustellen. Der steifigkeitsabhängige Phasenwinkel wird deutlich
7 Zusammenfassung und Ausblick
92
reduziert. Bei einer im Black-Diagramm charakteristischen Steifigkeit von 1 MPa beträgt der Rückgang durch die RTFOT-Alterung im Mittel etwa 8 °. Ein relevanter Zusammenhang zwischen der chemischen Zusammensetzung der Frischbitumen und
der Kurzzeitalterung wurde dagegen nicht festgestellt. Langzeitalterungsversuche an
ausgewählten Bitumen könnten hier hilfreich sein.
Bei den hier durchgeführten Adhäsionsversuchen konnte ein grundsätzlicher, aber
kein systematischer Einfluss der physikalischen und chemischen Eigenschaften der
Bitumen auf das Adhäsionsverhalten festgestellt werden. Dennoch zeigen die Versuche, dass verschiedene Bitumen und Gesteine eine große Einflussnahme auf das Adhäsionsverhalten ausüben.
Der Schüttelabriebversuch hat sich bei den hier verwendeten Randbedingungen als
ungeeignet für ein Adhäsionsprüfverfahren erwiesen, da der maßgebliche Faktor für
den Abrieb die Viskosität ist. Um den Einfluss der Viskosität zu minimieren, können die
Versuche bei Äquiviskositätstemperatur durchgeführt werden, jedoch zeigen die Probekörper einen so starken Abrieb, dass hier der mechanische Einfluss als zu stark
angesehen wird.
Bei den anderen Prüfverfahren ist ein unterschiedliches Haftverhalten der Bitumen und
Gesteine festzustellen, allerdings zeigen die Versuche kein einheitliches Ranking der
verschiedenen Bitumen-Gestein-Kombinationen. Mit den hier bestimmten Kennwerten
konnten bei keinem der Prüfverfahren die maßgeblichen Einflussfaktoren genauer
quantifiziert werden. Gegebenenfalls können andere Kennwerte wie die Säurezahl des
Bitumens, der Anteil von Nickel und Vanadium im Bitumen oder das Zeta-Potential der
Gesteine weiterhelfen. Die große in diesem Projekt gewonnene Datenmenge sollte um
weitere Bitumen- und Gesteinskennwerte erweitert werden, so dass mit Hilfe einer
Multivarianzanalyse die Einflussfaktoren quantifiziert werden können.
Weiterhin zeigt sich die Notwendigkeit, den Adhäsionsversuchen tiefergehende Bedeutung beizumessen und neue Prüfverfahren zu entwickeln bzw. die Randbedingungen bestehender Verfahren anzupassen, so dass diese unabhängig von der Viskosität
und dem Einfluss mechanischer Belastung die Wechselwirkung von Bitumen und Gestein abbilden. Dabei scheint vor allem die Probenkonditionierung (u.a. Wasserqualität, Konditionierungsdauer) eine entscheidende Rolle zu spielen.
8 Literatur
93
8 Literatur
ASTM D 4124: Standard Test Method for Separation of Asphalt into Four Fractions.
American Society for Testing and Materials, 2009
DIN EN 933-1: Prüfverfahren für geometrische Eigenschaften von Gesteinskörnungen - Teil 1: Bestimmung der Korngrößenverteilung - Siebverfahren, Beuth Verlag,
Berlin, 2012
DIN EN 1097-6: Prüfverfahren für mechanische und physikalische Eigenschaften von
Gesteinskörnungen - Teil 7: Bestimmung der Rohdichte und der Wasseraufnahme,
Beuth Verlag, Berlin, 2013
DIN EN 1426: Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel - Bestimmung der Nadelpenetration, Deutsches Institut für Normung e.V., Beuth Verlag, Berlin, Ausgabe 2007
DIN EN 1427: Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel - Bestimmung des Erweichungspunktes – Ring- und Kugel-Verfahren, Deutsches Institut für Normung e.V.,
Beuth Verlag, Berlin, Ausgabe 2007
DIN EN 12697-11: Asphalt - Prüfverfahren für Heißasphalt - Teil 11: Bestimmung der
Affinität von Gesteinskörnungen und Bitumen, Beuth Verlag, Berlin, 2012
DIN EN 12274-7: Dünne Asphaltschichten in Kaltbauweise - Teil 7: Schüttel-Abriebprüfung, Beuth Verlag, Berlin, 2005
DIN EN 12593: Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel – Bestimmung des Brechpunktes nach Fraaß; Deutsche Fassung EN 12593; 2007
DIN EN 12607-1: Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel - Bestimmung der Beständigkeit gegen Verhärtung unter Einfluss von Wärme und Luft - Teil 1: RTFOT-Verfahren; Beuth Verlag, Berlin, 2013
DIN EN 13702-1: Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel - Bestimmung der dynamischen Viskosität von modifizierten Bitumen – Teil 1: Platte-Kegel-Verfahren, Deutsches Institut für Normung e.V., Beuth Verlag, Berlin, Ausgabe 2003
DIN EN 13703: Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel - Bestimmung der Formänderungsarbeit; Beuth Verlag, Berlin, 2003
DIN EN 13589: Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel - Bestimmung der Streckeigenschaften von modifiziertem Bindemittel mit dem Kraftduktilitäts-Verfahren; Beuth
Verlag, Berlin, 2010
DIN EN 14770: Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel - Bestimmung des komplexen
Schermoduls und des Phasenwinkels - Dynamisches Scherrheometer (DSR); Beuth
Verlag, Berlin, 2013
DIN EN 14771:Bitumen und bitumenhaltige Bindemittel – Bestimmung der Biegekriechsteifigkeit – Biegebalkenrheometer (BBR); Beuth Verlag, Berlin, 2013
TP Asphalt StB 07, Teil 12: Wasserempfindlichkeit von Asphalt-Probekörpern, FGSVVerlag, Köln, 2007
8 Literatur
94
TP Asphalt StB 07, Teil 23: Spaltzugfestigkeit von Asphalt-Probekörpern, FGSV-Verlag, Köln, 2007
TL Bitumen-StB 07: Technische Lieferbedingungen für Straßenbaubitumen und gebrauchsfertige polymermodifizierte Bitumen - TL Bitumen–StB 07, Ausgabe 2013;
FGSV-Verlag, Köln, 2013
BÖHLER, N.: Entwicklung eines fotooptischen Verfahrens zur Auswertung des Rolling-Bottle-Tests auf Basis von MATLAB®. Bachelorarbeit, Lehrstuhl für Verkehrswegebau, Bochum, 2014
CETINKAYA, R.: Bewertung der Einflussgrößen auf die thermisch-oxidative Alterung
von Bitumen im Asphalt. Dissertation, Lehrstuhl für Verkehrswegebau, Ruhr-Universität Bochum, 2011
CLAUDY, P.; LÉTOFFÉ, J.M.; KING, G.N.; PLANCHE, J.P.: Caractérisation des bitumes routiers par analyse calorimétrique différentielle (ACD). Analyse thermo-optique
(ATO). Corrélation entre propriétés physiques et résultats ACD. Bull Liaison Lab Ponts
Chaussées, 177, 1992
CORBETT, L.W.: Composition of asphalt based on generic fractionation, using solvent
deasphaltening, elution-adsorption chromatography and densimetric characterization.
Analytical Chemestry 41, 1969
COX, W. P.; MERZ, E.P.: Correlation of Dynamic and Steady Flow Viscosities, Journal of Polymer Science, Vol. 28, 1958
GROTHE, H.; WISTUBA, M.: Affinität Bitumen/Gestein – eine dauerhafte Verbindung?, Gestrata Journal, Nr. 129, 2010
HARDERS, O.; NÖSLER, I.: Einfluss der Oberflächenaktivität von Mineralstoffen auf
das Gebrauchsverhalten von Walzasphalt, Arbeitsgemeinschaft der Bitumen-Industrie
e.V. (ARBIT), Bitumen, 65, 1, 2003
HIRSCH, V.; FRIEMEL-GÖTTLICH, B.: Bestimmung des adhäsiven Potentials von Bitumen und Gesteinsoberflächen mit Hilfe der Kontaktwinkelmessmethode, Straßenbau Heft
S 59, Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, 2009
JADA, A.; SALOU, M.: Effects of asphaltene and resin contents of the bitumens on
the water-bitumen interface properties. Journal of Petroleum Science and Engineering
33, 2002
KHUDYASKOVA, T.S., ROSENTAL, D.A., MASHKOVA, I.A.: Effect of the chemical
composition of bitumens in the adhesion strength of bitumen-mineral mixes. Chemistry
and Technology of Fuels and Oils, Vol. 27, 1991
KOOTS, J.A.; SPEIGHT, J.G.: Relation of petroleum resins to asphaltenes. Fuel, Vol.
54, 1975
LABIB, M.E.: Asphalt-aggregate interactions and mechanism for water stripping. Prep.
Pap. American Chemical Society, Div. Fuel Chemistry 37 (3), 1992
LESUEUR, D.: The colloidal structure of bitumen: Consequences on the rheology and
on the mechanisms of bitumen modification. Advances in Colloid and Interface Science
145, 2009
8 Literatur
95
LOEBER, L.; MULLER, G.; MOREL, J.; SUTTON, O.: Bitumen in colloid science: a
chemical, structural and rheological approach. Fuel, Vol. 77, 1998
MACK, C.: Physical Properties of Asphalts in Thin Films. Industrial an Engineering Chemistry, Vol. 49, No. 3, 1957
MAJIDZADEH, K.; BROVOLD, F. N.: Special Report 98: State of the Art: Effect of
Water on Bitumen -Aggregate Mixtures, HRB, National Research Council, Washington
D.C., 1968, übersetzt von Gragger, Schriftenreihe der Ilseder Schlackenverwertung
Dr. Schmidt & CO. KG, Heft 11, 1971
MANKE, R.: Möglichkeiten der Charakterisierung eines modifizierten Bindemittels
durch rheologische Kenngrößen aus Kraftduktilitätsmessungen. Diplomarbeit, RuhrUniversität Bochum, Lehrstuhl für Verkehrswegebau, 10.2009
McBAIN, J. W.; HOPKINS, D. G.: On Adhesives and Adhesive Action. The Journal of
Physical Chemistry, Vol. 29, 1924
McCANN, M.; ANDERSON-SPRECHER, R.; THOMAS, K. P.: Statistical Comparison
between SHRP Aggregate Properties and the Moisture Sensitivity of Aggregate-Binder
Mixtures. Road Materials and Pavement Design, Vol. 6, Nr. 2, 2005
MULLINS, O.C.; SABBAH, H.; EYSSAUTIER, J.; POMERANTZ, A.E.; BARRÉ, L.;
ANDREWS, A.B.; RUIZ-MORALES, Y.; MOSTOWFI, F.; McFARLANE, R.; GOUAL,
L.; LEPKOWICZ, R.; COOPER, T.; ORBULESCU, J.; LEBLANC, R.M.; EDWARDS,
J.; ZARE, R.N.: Advances in Asphaltenes Science and the Yen-Mullins Model. Energy
and Fuels, Vol. 26, 2012
NELLENSTEYN, F.J.: Bereiding en Constitutie van Asphalt, Delft / Netherland, 1923
NEUMANN, H.-J.: Was ist Bitumen?. Bitumen, 57. Jahrgang, 1995
NÖSLER, I.: Beitrag zur prüftechnischen Ansprache des Haftverhaltens zwischen Mineralstoff und Bitumen, Dissertation; Wuppertal, 2000
OKRUSCH, M.; MATTHES, S.: Mineralogie – Eine Einführung in die spezielle Mineralogie, Petrologie und Lagerstättenkunde, 9. Auflage, Springer Spektrum, 2014
PIÉRI, N.: Etude du Vieillissement Simulé et In-situ des Bitumes Routiers par IRTF et
Fluorescence UV en Excitation-Emission Synchrones. Marseille / France, 1995
RENKEN, P.: Haftung zwischen Bitumen und Gesteinskörnungen – ein Statusbericht.
Arbeitsgemeinschaft der Bitumen-Industrie e.V. (ARBIT), Bitumen, Heft 1, März 2003
RENKEN, P.; WISTUBA, M.; GRÖNNIGER, J.; SCHINDLER, K.: Adhäsion von Bitumen am Gestein (Haftverhalten) – Verfahren der quantitativen Bestimmung auf Grundlage der Europäischen Normung, Abschlussbericht zum Forschungsprojekt FE
07.0209/2005/EGB, Forschung Straßenbau und Straßenverkehrstechnik, Heft 1043,
Bundesministerium für Verkehr, Bau und Stadtentwicklung, Wirtschaftsverlag NW,
Bremerhaven, 2010
RENKEN, P.: Adhäsion – gibt es objektive Bewertungskriterien?, Giesel Verlag GmbH,
asphalt, Heft 7, 2011
REUTER, F.; KLENGEL, K. J.; PASEK, J.: Ingenieurgeologie. Deutscher Verlag für
Grundstoffindustrie GmbH, Leipzig, 3. Auflage, 1992
8 Literatur
96
RICE, J. M.: Relationship of Aggregate Characteristics to the Effect of Water on Bituminous Paving Mixtures. America Society for Testing and Materials, STP 240, 1958
RUBE; N.; GEHRKE, M.: Adhäsion von Bitumen und Gestein – Eine Frage der Bitumenchemie?, Asphalt-Seminar 2013, Willingen, 2013
SEBOR, G.; BLAZEK, J.; NEMER, M. F.: Optimization of the preparative separation
of petroleum maltenes by liquid absorption chromatography, Journal of Chromatography A, 847, 1999
SPEIGHT, J.G.: Petroleum Asphaltenes Part 1: Asphaltenes, Resins and the Structure
of Petroleum, Oil & Gas Science and Technology, Vol. 59, 2004
THIMM, L.: Validierung eines gaschromatographischen Analyseverfahrens zur Qualitätssicherung des in Deutschland verwendeten Straßenbaubitumens. Diplomarbeit,
Fachbereich Chemie Universität Duisburg-Essen, 2003
WEISE, C.; OESER, M.: Der Einfluss von Wasser auf das Ermüdungsverhalten von
Splittmastixasphalten. Straße und Autobahn, Kirschbaum Verlag, Bonn, Nr. 12, 2010
WHITEOAK, D.; READ, J.: The Shell Bitumen Handbook. 5. Auflage, Thomas Telford
Publishing, London / England, 2003
ZENKE, G: Zum Löseverhalten von “Asphaltenen”: Anwendung von Löslichkeitsparameter-Konzepten auf Kolloidfraktionen schwerer Erdölprodukte. Clausthal, 1989
ZENKE, G.: Stoffbestand und Verhalten von Straßenbaubitumen: Eine Übersicht zum
Stande der Erkenntnisse (I). Bitumen, 52. Jahrgang, 1990
ZHANG, L.; GREENFIELD, M.L.: Relaxation time, diffusion, and viscosity analysis of
model asphalt systems using molecular simulation. The Journal of Chemical Physics
127, 2007
ZOOROB, S.E., AIREY, G.D.: An investigation into the effect of composition on performance of penetration grade road bitumens, Part 1: SARA analysis. 3rd International
SIIV Congress, 2005
Internetpräsenzen:
[ARBIT]
http://www.arbit.de
[BP]
http://www.bp.com/liveassets/bp_internet/bitumen/bp_bitumen_germany/STAGING/local_assets/downloads_pdfs/b/bending_beam_rheometer.pdf
[KORN, 2004]
www.bitumen-gestein.de/3_Beschreibung%20des%20Haftverhaltens.html
[Mineralölwirtschaftsverband]
http://www.mwv.de/index.php/ueberuns/pipelines
[SCHMIDT, 2014]
http://www.vsvi-hessen.de/download/20140122/vsvi20140122schmidt.pdf
[ZIELKE, 2008]
http://wbserver.bau.uni-wuppertal.de/SeSb/Vortraege/06%20-%20Zielke%20deu.pdf
Abbildungsverzeichnis
97
Abbildungsverzeichnis
Bild 3-1:
Bild 3-2:
Bild 3-3:
Bild 3-4:
Bild 3-5:
Bild 3-6:
Bild 3-7:
Bild 3-8:
Bild 3-9:
Bild 3-10:
Bild 3-11:
Bild 4-1:
Bild 4-2:
Bild 4-3:
Bild 5-1:
Bild 5-2:
Bild 5-3:
Bild 5-4:
Bild 5-5:
Bild 5-6:
Bild 5-7:
Bild 5-8:
Bild 5-9:
Raffineriestandorte und Pipelines in Deutschland
[Mineralölwirtschaftsverband] .............................................................. 8
Veränderung des Kolloidsystems in Abhängigkeit von der
Temperatur [aus CETINKAYA, 2011 in Anlehnung an ZENKE, 1990] 9
links: Prinzipskizze Bending Beam Rheometer [BP] rechts:
Schematische Darstellung, Brechpunkt nach Fraaß [ARBIT] ............ 10
links: Duktilitätsform [MANKE; 2009 in Anlehnung an
DIN EN 13589] rechts: Schematische Darstellung,
Nadelpenetration [ARBIT].................................................................. 11
Schematische Darstellung, Erweichungspunkt Ring und Kugel
[ARBIT] .............................................................................................. 11
Prinzipskizze dynamisches Scherrheometer [ZIELKE, 2008] ............ 12
Mittlere chemische Zusammensetzung eines Bitumens
[WHITEOAK; READ, 2003] ............................................................... 13
Vereinfachte Erdölfraktionierungsmethode [SPEIGHT, 2004] ........... 14
Mizellen-Modell [NÖSLER, 2000] ...................................................... 16
Yen-Mullins Modell [MULLINS, et al., 2012] ...................................... 16
Der Kreislauf der Gesteine [OKRUSCH, MATTHES, 2014] .............. 17
Einfluss der Prüfdauer beim Rolling-Bottle-Versuch auf die
Kreisförmigkeit [RUBE, GEHRKE, 2013] ........................................... 26
Schüttelabriebgerät ........................................................................... 27
Qualität der Benetzung in Abhängigkeit vom Kontaktwinkel
[KORN, 2004] .................................................................................... 29
Nadelpenetration bei 25 °C und Erweichungspunkt Ring und Kugel
der untersuchten Straßenbaubitumen ............................................... 30
Auswirkungen einer Kurzzeitalterung (RTFOT): Verbleibende
Nadelpenetration bei 25 °C und Zunahme des Erweichungspunktes Ring und Kugel der untersuchten Straßenbaubitumen ........ 31
Brechpunkt nach Fraaß der untersuchten Straßenbaubitumen ......... 32
m-Wert und Biegekriechsteifigkeit (jeweils bei -16 °C) der
untersuchten Straßenbaubitumen ..................................................... 32
Temperaturabhängige komplexe Schermoduln der untersuchten
Straßenbaubitumen ........................................................................... 33
Temperaturabhängige Phasenwinkel der untersuchten
Straßenbaubitumen ........................................................................... 33
Paraffingehalte der untersuchten Straßenbaubitumen ...................... 34
Chemischen Zusammensetzungen der untersuchten
Straßenbaubitumen anhand der SARA-Analyse und des
Asphaltenstatus nach ZENKE; je Bitumensorte die Mittelwerte
sowie das Minimum und das Maximum ............................................. 34
Ergebnisse der Siedeanalysen der untersuchten Straßenbaubitumen.............................................................................................. 35
Abbildungsverzeichnis
Bild 5-10:
Bild 5-11:
Bild 5-12:
Bild 5-13:
Bild 5-14:
Bild 6-1:
Bild 6-2:
Bild 6-3:
Bild 6-4:
Bild 6-5:
Bild 6-6:
Bild 6-7:
Bild 6-8:
Bild 6-9:
Bild 6-10:
Bild 6-11:
Bild 6-12:
Bild 6-13:
Bild 6-14:
Bild 6-15:
Bild 6-16:
98
Ergebnisse des Rolling-Bottle-Tests zur Auswahl der Gesteine für
weitere Adhäsionsversuche............................................................... 38
Ergebnisse Rolling-Bottle-Test mit Rhyolith ...................................... 39
Ergebnisse Rolling-Bottle-Test mit Diabas ........................................ 40
Ergebnisse Rolling-Bottle-Test mit Grauwacke ................................. 40
Ergebnisse Rolling-Bottle-Test Basalt ............................................... 41
Komplexer Schermodul bei 0 bzw. -10 °C in Abhängigkeit von der
Biegekriechsteifigkeit bei -16 °C ........................................................ 49
Phasenwinkel bei 0 bzw. -10 °C in Abhängigkeit von dem m-Wert
bei -16 °C .......................................................................................... 49
Biegekriechsteifigkeit und m-Wert jeweils bei -16 °C in Abhängigkeit vom Brechpunkt nach Fraaß ...................................................... 50
Korrelation zwischen Nadelpenetration und dem komplexen
Schermodul bzw. dem Phasenwinkel jeweils bei 25 °C .................... 51
Komplexe Schermoduln bei der Temperatur des Erweichungspunktes Ring und Kugel .................................................................... 51
Korrelation zwischen Erweichungspunkt Ring und Kugel und der
Äquiviskositätstemperatur (= Temperatur, bei der der komplexe
Schermodul 15 kPa beträgt) .............................................................. 52
Abhängigkeit zwischen der komplexen Viskosität bei 120 °C und
der Biegekriechsteifigkeit bei -16 °C bzw. dem komplexen
Schermodul bei 25 °C ....................................................................... 53
Plastizitätsspanne (Erweichungspunkt und Brechpunkt nach
Fraaß) der untersuchten Straßenbaubitumen ................................... 53
Kraftduktilitätsverlauf bei 15 °C des 2.1 50/70 vor bzw. nach der
Modifizierung mit den Elastomeren bzw. Plastomeren ...................... 54
Komplexe Schermoduln in Abhängigkeit von der Temperatur des
Bitumen 2.1 50/70 vor bzw. nach der Modifizierung mit den
Elastomeren bzw. Plastomeren ......................................................... 55
Black-Diagramm des Bitumen 2.1 50/70 vor bzw. nach der
Modifizierung mit den Elastomeren bzw. Plastomeren ...................... 56
Dreistoffdiagramm zur Unterscheidung in Aromaten, polare
Verbindungen und der Summe aus Aliphaten und Asphaltenen
der Bitumen 20/30 bzw. 160/220 ....................................................... 58
Dreistoffdiagramm zur Unterscheidung in leicht-, mittel- und
schwerlösliche Asphaltene der Bitumen 20/30 bzw. 160/220 (* das
auffällige Ergebnis wurde durch eine Überprüfung bestätigt) ............ 58
Siedeanalyse, jeweils dargestellt sind die Mittelwerte der
Bitumensorten ................................................................................... 59
Biegekriechsteifigkeit bzw. m-Wert bei -16 °C in Abhängigkeit vom
Asphaltengehalt der Bitumen ............................................................ 61
Korrelation zwischen dem Asphaltengehalt und dem komplexen
Schermodul bzw. dem Phasenwinkel bei 25 °C ................................ 62
Abbildungsverzeichnis
Bild 6-17:
Bild 6-18:
Bild 6-19:
Bild 6-20:
Bild 6-21:
Bild 6-22:
Bild 6-23:
Bild 6-24:
Bild 6-25:
Bild 6-26:
Bild 6-27:
Bild 6-28:
Bild 6-29:
Bild 6-30:
Bild 6-31:
Bild 6-32:
Bild 6-33:
Bild 6-34:
Bild 6-35:
99
Korrelation zwischen dem Asphaltengehalt und der
Äquiviskositätstemperatur (= Temperatur, bei der der komplexe
Schermodul 15 kPa beträgt) .............................................................. 63
Korrelation zwischen dem Asphaltengehalt und der komplexen
Viskosität bei 120 °C ......................................................................... 63
Korrelation zwischen dem Asphaltengehalt und der Plastizitätsspanne bzw. dem Quotienten aus dem komplexen Schermodul bei
0 °C und dem komplexen Schermodul bei 60 °C .............................. 64
Black-Diagramm der Bitumen der Raffinerien 1 und 2 ...................... 65
Black-Diagramm der Bitumen der Raffinerien 4 und 5 ...................... 65
Black-Diagramm der Bitumen der Raffinerien 6 und 7 ...................... 65
Mittelwert, Minimum, Maximum und Anzahl der Proben der
Bitumen 50/70 und 70/100 der acht Raffinerien für den
Erweichungspunkt Ring und Kugel und den Brechpunkt nach
Fraaß ................................................................................................. 67
Siedeanalyse, jeweils dargestellt sind die Mittelwerte der Bitumen
50/70 der verschiedenen Raffinerien................................................. 68
Siedeanalyse, jeweils dargestellt sind die Mittelwerte der Bitumen
50/70 der Raffinerien 1 und 7 sowie deren die Varianten mit den
leichtest siedenden bzw. am schwersten siedenden Anteilen ........... 69
Dreistoffdiagramm zur Unterscheidung in Aromaten, polare
Verbindungen und der Summe aus Aliphaten und Asphaltenen der
Bitumen 50/70 ................................................................................... 70
Mittelwert, Minimum, Maximum und Anzahl der Proben der
Bitumen 50/70 und 70/100 der acht Raffinerien für den
Asphaltengehalt ................................................................................. 70
Dreistoffdiagramm zur Unterscheidung in leicht-, mittel- und
schwerlösliche Asphaltene der Bitumen 50/70 .................................. 71
Asphaltengehalt der Frischbitumen in Abhängigkeit von der
Zunahme des Erweichungspunktes Ring und Kugel durch die
RTFOT-Alterung ................................................................................ 72
Black-Diagramm der Bitumen der Raffinerie 1 im frischen und
gealterten (RTFOT) Zustand ............................................................. 72
Black-Diagramm der Bitumen der Raffinerie 1 im frischen und
gealterten (RTFOT) Zustand ............................................................. 73
Original-Bild rechts, „Cluster-Bild“ links - Grauwacke nach 24 h mit
6.R1 30/45 [Böhler, 2014].................................................................. 74
Korrelation der Mittelwerte der Ergebnisse der visuellen Schätzung
und der Mittelwerte der Ergebnisse von MATLAB [Böhler, 2014] ...... 74
Umhüllungsgrade in Abhängigkeit von der Rolldauer und dem
Gestein .............................................................................................. 75
Umhüllungsgrade nach 24 h im Vergleich zur Porosität der
Gesteine ............................................................................................ 76
Abbildungsverzeichnis
Bild 6-36:
Bild 6-37:
Bild 6-38:
Bild 6-39:
Bild 6-40:
Bild 6-41:
Bild 6-42:
Bild 6-43:
Bild 6-44:
Bild 6-45:
Bild 6-46:
Bild 6-47:
Bild 6-48:
Bild 6-49:
Bild 6-50:
Bild 6-51:
Bild 6-52:
Bild 6-53:
Bild 6-54:
Bild 6-55:
Bild 6-56:
100
Umhüllungsgrade nach 24 h im Vergleich zum Quarzanteil der
Gesteine ............................................................................................ 76
Zusammenhang zwischen der Nadelpenetration und dem
Umhüllungsgrad nach 24 h................................................................ 77
Zusammenhang zwischen dem komplexen Schermodul bei 20 °C
und dem Umhüllungsgrad nach 24 h................................................. 77
Zusammenhang zwischen dem Anteil der polaren Verbindungen
und dem Umhüllungsgrad nach 24 h ................................................. 78
Zusammenhang zwischen dem Anteil der Asphaltene und dem
Umhüllungsgrad nach 24 h................................................................ 78
Zusammenhang zwischen dem Umhüllungsgrad und dem Anteil
der polaren Verbindungen unter Berücksichtigung der
unterschiedlichen Viskosität der Bitumen .......................................... 79
Abrieb im Vergleich zur Porosität der Gesteine ................................. 80
Abrieb im Vergleich zum Quarzanteil der Gesteine ........................... 80
Vergleichende Darstellung der Abriebergebnisse aller Bitumen
und Gesteine ..................................................................................... 81
Zusammenhang zwischen dem Erweichungspunkt Ring und Kugel
und dem Abrieb ................................................................................. 81
Zusammenhang zwischen dem komplexen Schermodul bei 20 °C
und dem Abrieb ................................................................................. 82
Zusammenhang zwischen dem Anteil der Asphaltene und dem
Abrieb ................................................................................................ 82
Zusammenhang zwischen den Ergebnissen der Schüttelabriebprüfung und dem komplexen Schermodul bei 20 °C ......................... 83
Vergleichende Darstellung der ITSR-Werte aller Bitumen mit
Rhyolith und Basalt ........................................................................... 84
Zusammenhang zwischen den ITSR-Werten und dem komplexen
Schermodul bei 20 °C ....................................................................... 84
Zusammenhang zwischen den ITSR-Werten und dem Anteil an
polaren Verbindungen ....................................................................... 85
Vergleichende Darstellung der Ergebnisse der
Ermüdungslastwechselzahl vor und nach Wasserlagerung der
ausgewählten Bitumen für Rhyolith und Basalt ................................. 85
Vergleichende Darstellung der Oberflächenspannungen der
ausgewählten Bitumen ...................................................................... 86
Vergleichende Darstellung des unterschiedlichen Spreitverhaltens
der ausgewählten Bitumen auf Rhyolith, Grauwacke und Basalt ...... 87
Zusammenhang zwischen dem Anteil der polaren Verbindungen
und dem Spreitverhalten der verschiedenen Bitumen in
Abhängigkeit vom Gestein................................................................. 87
Umhüllungsgrade der verschiedenen PmB bei Rhyolith nach 6, 24
und 48 h ............................................................................................ 89
Abbildungsverzeichnis
Bild 6-57:
Bild 6-58:
101
Einfluss der Polymermodifizierung auf den Umhüllungsgrad nach
24 h bei Diabas, Grauwacke und Basalt ........................................... 89
Einfluss der Polymermodifizierung auf den Abrieb bei Diabas,
Grauwacke und Basalt ...................................................................... 90
Tabellenverzeichnis
102
Tabellenverzeichnis
Tab. 3-1:
Tab. 3-2:
Tab. 3-3:
Tab. 4-1:
Tab. 5-1:
Tab. 5-2:
Tab. 5-3:
Tab. 5-4:
Tab. 5-5:
Tab. 5-6:
Tab. 5-7:
Tab. 5-8:
Tab. 5-9:
Tab. 5-10:
Tab. 5-11:
Tab. 5-12:
Tab. 5-13:
Tab. 5-14:
Tab. 6-1:
Gliederung magmatischer Gesteine in Abhängigkeit vom SiO2Gehalt [WEISE, OESER, 2010] ......................................................... 18
Bautechnisch wichtige magmatische Festgesteine, ihre
Eigenschaften und Hauptvorkommen [in Anlehnung an REUTER
et al., 1992]........................................................................................ 18
Einflussgrößen auf das Haftverhalten in Anlehnung an [RENKEN,
2011; GROTHE, WISTUBA, 2010; HIRSCH, FRIEMEL-GÖTTLICH,
2009; LABIB, 1992] ........................................................................... 20
Übersicht der entnommenen Bitumenproben .................................... 23
Ergebnisse der Nadelpenetration und Erweichungspunkt Ring und
Kugel der modifizierten Bitumen ........................................................ 31
Quarzanteile der Gesteine................................................................. 36
Reindichte, Porosität und spez. Oberfläche der Lieferkörnung
8/11 mm ............................................................................................ 36
Mineralische Zusammensetzung der Gesteinsproben ...................... 37
Für die Adhäsionsversuche ausgewählte Bitumen ............................ 39
Ergebnisse Rolling-Bottle-Test mit Rhyolith, Diabas, Grauwacke
und Basalt mit den Polymermodifizierten Bitumen ............................ 41
Ergebnisse des Schüttelabriebversuchs mit Rhyolith, Diabas,
Grauwacke und Basalt ...................................................................... 42
Ergebnisse des Schüttelabriebversuchs der Polymermodifizierten
Bitumen mit Rhyolith, Diabas, Grauwacke und Basalt ...................... 42
Mischgutzusammensetzung und -eigenschaften der Probekörper
für die Bestimmung der Wasserempfindlichkeit ................................. 43
Ergebnisse der statischen Spaltzugversuche bei T = 15 °C mit
Basalt und Rhyolith ........................................................................... 44
Ergebnisse der dynamischen Spaltzug-Schwellversuche bei
T = 15 °C bei mittlerer Belastung mit Basalt und Rhyolith ................. 45
Ergebnisse der Kontaktwinkelmessungen der Gesteine ................... 46
Ergebnisse der Kontaktwinkelmessungen der Bitumen .................... 46
Spreitverhalten der ausgewählten Bitumen bei Basalt und Rhyolith . 47
Vergleich der Varianten bei den Prüfverfahren zur Bewertung der
Wasserempfindlichkeit, dem Schüttelabriebversuch und dem
Rolling-Bottle-Test ............................................................................. 88